新型柔性靈巧手的控制系統(tǒng)研究

戰(zhàn)強(qiáng)，馬健，薛陽(yáng)

(北京航空航天大學(xué)，北京100083)

  摘要：BHG—l型靈巧手是一種新型全驅(qū)動(dòng)三指柔性靈巧手，其控制系統(tǒng)主要由上位Pc機(jī)和下位嵌入式控制器組成，通過(guò)RS232進(jìn)行相互通訊。編寫了上位Pc機(jī)控制界面，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的輸入、調(diào)節(jié)和傳感器信息的實(shí)時(shí)反饋。采用TMS320LF2607A設(shè)計(jì)了靈巧手的嵌入式控制器，并對(duì)硬件電路的各個(gè)模塊作了詳細(xì)的介紹。對(duì)驅(qū)動(dòng)靈巧手的直流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度和位置的PID控制，提高了靈巧手的抓取性能。試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能可靠運(yùn)行并達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

  關(guān)鍵詞：靈巧手；DSP；直流伺服電動(dòng)機(jī)；PID

  中圖分類號(hào)：TM383．4 1  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004-7018(2008)04—0035—03

0引  言

    多指靈巧手作為一種擬人化并能實(shí)現(xiàn)靈活操作的機(jī)器人末端操作器拓寬了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，但由于其自由度過(guò)多導(dǎo)致控制比較復(fù)雜、成本較高，目前只能應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室階段，未能在生活、生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)控制簡(jiǎn)單、可以完成穩(wěn)定抓取物體等擬人動(dòng)作的靈巧手具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。而控制系統(tǒng)是靈巧手的重要組成部分，是靈巧手完成要求動(dòng)作的重要保證。靈巧手的控制系統(tǒng)主要包括感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、人機(jī)交互以及其它一些裝置。

1研究對(duì)象   

    本文研究的BHG一1型全驅(qū)動(dòng)單自由度靈巧手^[1]由三個(gè)完全相同的手指組成，如圖I所示。三個(gè)手指在掌部呈交錯(cuò)對(duì)稱放置，每個(gè)手指有三個(gè)指桿，指桿之間存在著機(jī)械耦合，通過(guò)鋼絲進(jìn)行傳動(dòng)，減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；三個(gè)手指由一個(gè)嵌在手掌中的直流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了各個(gè)手指的聯(lián)動(dòng)；每個(gè)手指的第二和第三指桿均裝有擴(kuò)散硅點(diǎn)接觸力傳感器，采集指桿受力信息。該靈巧手從結(jié)構(gòu)與功能上模仿了人手的拇指、食指和中指，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一定尺寸范圍內(nèi)物體的包絡(luò)抓持，具有自由度少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

    BHG-1型靈巧手對(duì)物體以包絡(luò)的軌跡進(jìn)行夾持，是對(duì)新夾持方式的嘗試，其控制系統(tǒng)如圖2所示，主要包括上位Pc機(jī)和下位嵌入式控制器。

上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送夾緊、松開等命令及參數(shù)設(shè)定值至下位靈巧手控制器，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，下位控制器根據(jù)命令驅(qū)動(dòng)手指動(dòng)作。

     下位控制器采用電機(jī)專用控制：DSP芯片TMS320LF407A為核心，主要完成對(duì)各反饋傳感量進(jìn)行采樣，對(duì)電機(jī)進(jìn)行伺服控制，以及向上位機(jī)傳送各種控制參量。TMS320LF2407A特別適合于電機(jī)控制，其事件管理器具有分為十等優(yōu)先級(jí)的40個(gè)中斷，其中的非法地址訪問(wèn)中斷能在程序“跑飛”的情況下復(fù)位芯片，PWM封鎖中斷能夠在電機(jī)控制異常的情況下封鎖PwM輸出，保證了系統(tǒng)故障性處理的實(shí)時(shí)性^[2]。DsP芯片集成的這些功能大大簡(jiǎn)化了整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2．1人機(jī)交互界面

    通過(guò)上位PC機(jī)上的人機(jī)交互界面可以完成各種控制參數(shù)的輸入和調(diào)節(jié)，對(duì)傳感器反饋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如圖3所示，此界面包括三部分：操作區(qū)，向下位機(jī)發(fā)送命令；參數(shù)設(shè)置區(qū)，設(shè)置下位機(jī)的控制參數(shù)；顯示區(qū)，顯示來(lái)自下位機(jī)的當(dāng)前信息。該上位機(jī)程序的界面美觀，操作簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。

2.2異步串行通訊電路

    TMS320LF407A內(nèi)部集成的串行通信接口scI模塊是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用異步接收／發(fā)送(uART)通信接口，有scITXD(發(fā)送輸出)和scIRXD(接收輸入)兩個(gè)外部引腳，其信號(hào)電平為TTL型。而Pc機(jī)串口的異步串行通信基于．RS232C標(biāo)準(zhǔn)，兩者的信號(hào)邏輯電平不一致，因此選用MAX232芯片進(jìn)行電平匹配。該芯片有兩對(duì)收／發(fā)單元，實(shí)現(xiàn)DSP與PC之間的串口通信只需一對(duì)收／發(fā)單元即可。本文的串口電路采用三線制接法，如圖4所示，即圖。串口通訊接線圖地、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連。

2．3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

    電機(jī)的驅(qū)動(dòng)由PWM脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)定DSP的定時(shí)器Timerl的TlPER以及與T1CMPR產(chǎn)生PWM信號(hào)，Tl CMPR與T1PER比值即為PWM波形的占空比。PwM信號(hào)要控制伺服電機(jī)需進(jìn)行脈沖分配，即對(duì)電壓／脈寬變換的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q，分配給基極