田園

摘要：本文以仿人機械手運動控制系統(tǒng)為研究對象，提出了針對機械手運動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。重點放在了控制系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計方面。系統(tǒng)以STC15F204EA單片機為控制核心，通過位置及力矩傳感器采集檢測機械手對被抓物體的夾緊力的大小，反饋給單片機運算得出機械手指運動位移量并發(fā)出指令給驅(qū)動器，帶動微電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械手的物體抓握。

關(guān)鍵詞：仿人 機械手 單片機STC15F204EA 驅(qū)動器 步進電機

中圖分類號： TP241 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號1672-3791（2015）04（a）-0000-00

中國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，把“服務(wù)機器人”研發(fā)作為重點項目。機械手是“服務(wù)機器人”的關(guān)鍵部位，在各種護理機器人、陪護機器人、中醫(yī)按摩機器人中，機械手是機器人完成“服務(wù)”任務(wù)必不可缺的一部分。設(shè)計并制造具有感知能力的擬人化機器手，并對擬人機械手的材質(zhì)、機械結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)進行了深入的調(diào)查研究。將微小型步進電機和齒輪減速器引入擬人化靈巧機械手設(shè)計結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)機械手的大扭矩抓取和擬人化；機械手裝有位置、力、力矩等多種傳感器，可實現(xiàn)機械手認知能力，且所有部件均集成在手指和手掌內(nèi)。開發(fā)具有認知能力的擬人化靈巧機械手集機、電、計算機軟硬件、信號源處理于一體。有5個相同結(jié)構(gòu)的模塊化手指，具有擬人化手形外觀及認知抓取能力。通過對擬人化靈巧機械手的研究，帶動更多前沿學(xué)科與機器人技術(shù)的交叉和融合，促進我國“機器人”的進一步發(fā)展，提高其技術(shù)水平和國際競爭力。

1 仿人機械手工作機理分析

仿人機械手主要由手掌、手指機構(gòu)、拇指機構(gòu)和所有的手指驅(qū)動機構(gòu)組成。手掌內(nèi)放的驅(qū)動直流小電機，節(jié)約了手的空間，縮小了體積；手指機構(gòu)包括小指、無名指、中指和食指，它們都由相同的構(gòu)件組成，包括兩個關(guān)節(jié)前指和后指，前指和后指使用螺釘連接，可以減小手指的大小。各指之間使用軸連接，用軸套保持之間的距離，防止發(fā)生碰撞。拇指機構(gòu)是單獨的零件體，單獨與四指機構(gòu)用連桿連接，減小了機構(gòu)的復(fù)雜性，有利于優(yōu)化機構(gòu)。傳動機構(gòu)包括電機軸齒輪、減速齒輪、驅(qū)動手指機構(gòu)的半齒和帶動拇指的連桿組成。仿人機械手運動的過程是以手掌為基座，電機固定在手掌內(nèi)，帶動齒輪實現(xiàn)各級減速，半齒連接在四指上，當(dāng)半齒轉(zhuǎn)動時帶動四指張合，四指和拇指是由連桿連接，所以四指動的時候拇指也隨之而動，且與四指相反，從而最終實現(xiàn)物體抓握。

2仿人機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3-1仿人機械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖3-1所示為基于單片機系統(tǒng)設(shè)計的仿人機械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其工作方式如下：

其中MCU為單片機處理器，信號采集模塊包括位置傳感器模塊和力矩傳感器模塊。這兩個傳感器模塊的主要功能是檢測對被抓物體的夾緊力地大小，同時生成模擬量的電信號，然后再通過單片機內(nèi)部自帶有的A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機將得到的數(shù)字信息存儲起來，等到要處理的時候進行處理。

當(dāng)單片機根據(jù)采集到的夾緊力對應(yīng)的電壓信號來算得手指的運動的位移，向外部驅(qū)動電路發(fā)送不同的位移信息。外部的電機驅(qū)動器將接收到的數(shù)字信息進行處理，最后進行對電機運行的控制。

2.2控制器芯片的選擇

在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中，對控制芯片的選擇至關(guān)重要，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性，性能和價格等方面考慮選擇STC15F204EA單片機。

STC15F204EA系列單片機是STC公司生產(chǎn)的單時鐘機器周期的單片機，是高速、高可靠、低功耗、抗干擾的新一代8051單片機，可設(shè)置5MHZ-35MHZ寬范圍頻率，可徹底省掉外部昂貴的晶振，自帶8路高速A/D轉(zhuǎn)換功能，無需在系統(tǒng)再搭建模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

2.3電機驅(qū)動模塊的設(shè)計

2.3.1驅(qū)動芯片的選擇

L293是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達2A，持續(xù)工作電流為1A。內(nèi)含兩個高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和繼電器線圈等感性負載；該芯片可以驅(qū)動兩臺直流電機。引腳P1用于M1電機PWM輸入控制，引腳P2用于M2電機PWM輸入控制。

2.3.2單片機與驅(qū)動器之間的接線與參數(shù)設(shè)置

本文所采用的單片機STC15F204EA可以控制驅(qū)動器L293驅(qū)動兩臺微電機。分別是M1和M2。引腳P1、P2可用于接收單片機輸出的PWM脈寬調(diào)制信號以實現(xiàn)對電機進行調(diào)速控制。實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)是通過D1和D2兩個端口控制的，輸入信號端D1接高電平，電機M1正轉(zhuǎn)，如果接低電平，電機就反轉(zhuǎn)?？刂屏硪慌_電機是同樣的方式，驅(qū)動器L293輸入信號端D2接高電平，電機M2正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)，PWM信號端P1控制電機M1速度，PWM信號端P2控制電機M2速度。下圖3-2為仿人機械手控制系統(tǒng)接線原理圖，詳細地繪制了單片機控制驅(qū)動器并連接兩臺電動機的工作過程。

圖3-2 控制系統(tǒng)接線原理圖

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)所采用STC15F204EA單片機對應(yīng)晶振為12MHZ，利用定時器控制產(chǎn)生占空比可變的PWM脈沖信號。PWM輸出范圍為0% -100%，PWM的周期1ms，頻率1KHZ，且輸出低電平有效。

如下是控制機器人左右機械手運動的兩臺直流電機PWM調(diào)速的部分程序

#include；

Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：啟動或停止；

Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；

Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；

Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM減一；

Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：啟動或停止；

Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；

Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；

Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM減一；

//輸出控制引腳；

Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：電機轉(zhuǎn)向控制；

sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：電機轉(zhuǎn)向控制；

sbit BEEP=P3^7；//蜂鳴器；

//電機的占空比；

Unsigned char PWM1_value=50；//賦初值 50%；

Unsigned char PWM2_value=50；//賦初值 50%；

主程序

Void main（void）

{

PWM_INIT（）：//PWM初始化

While（1）

{

KEY_SCAN（）：//按鍵掃描

}

}

4結(jié)論

本文設(shè)計了一種仿人機械手運動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了仿人機械手結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，拆卸方便，各手指間都可安裝傳感器的優(yōu)點，能使控制更加靈活，安全性增強，滿足了仿人機械手對控制系統(tǒng)的要求。以STC15F204EA單片機為控制核心，通過與位移及力矩采集模塊之間的通信，實現(xiàn)了信息的良好通訊。通過驅(qū)動芯片L293驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對機械手抓握物體的良好控制。

參考文獻

[1] 蔡自興機器人學(xué).2009.

[2] 高煥兵，魯守銀，王濤。中醫(yī)按摩機器人研制與開發(fā)【期刊論文】-機器人 2011（05）

[3] 陳殿生，劉靜華，殷蘭蘭。服務(wù)機器人輔助老年人生活的新模式與必要性 2011（02）

[4].高微，楊中平，趙榮飛。機械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計【期刊論文】-機械設(shè)計與制造 2006（01）

[5]周惠明。關(guān)節(jié)機械手的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計【期刊論文】-煤礦機械 2007（10）

[6]滿翠華，范迅，張華。類人機器人研究現(xiàn)狀和展望【期刊論文】-農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2006（09）

[7]鄧志東，程振波。我國助老助殘機器人產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研【期刊論文】-機器人技術(shù)與應(yīng)用 2009（02）

[8]余順年，馬履中，陳扼西。新型串并聯(lián)中醫(yī)推拿機器人研究【期刊論文】-中國機械工程 2005（19）