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        仿人機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

        2015-06-29 18:28:19田園
        科技資訊 2015年10期
        關(guān)鍵詞:仿人期刊論文驅(qū)動器

        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)

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        [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)

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