柔性机械手机械结构设计

北华大学学士学位论文I目 录第一章 绪论 11.1 课题来源及背景 11.2 课题的研究意义 11.3 国内外发展状况 21.3.1 国外发展状况 31.3.2 国内发展状况 31.4 课题研究内容介绍 31.5 本章小结 3第二章 柔性关节与多指柔性机械手控制系统方案设计 42.1 抓取目标与要求 42.1.1 手指正屈抓取物体 42.1.2 手指外展内收夹持物体 52.2.3 弯摆复合实现操作 62.2 柔性关节的控制方法 62.2.1 柔性关节气压控制原理 .62.2.2 关节位置控制 72.2.3 关节运动速度控制 72.2.4 关节驱动力控制 82.3 五指机械手气压控制系统 82.3.1 五指机械手气压控制系统原理 82.3.2 气压控制系统组成 92.3.3 抓取功能控制要求与气压系统控制方案 102.4 多指柔性机械手控制系统方案比较 112.5 本章小结 12第三章 柔性机械手控制系统的硬件设计 123.1 控制系统硬件设计 .123.1.1 总体控制方案设计 .123.2.2 控制最小系统的设计 .133.2.3 压力传感器的设计 .153.2.4 运算放大器的选择及接口电路设计 .183.2.5 滤波的电路设计 .183.2.6 A/D 的选择及接口电路设计 .20北华大学学士学位论文II3.2.7 比例阀的选择及接口电路设计 .203.2.8 D/A 的选择及接口电路设计 .223.2.9 光耦隔离的设计 .233.2 显示器的设计 .243.3 电源模块的设计 .253.3.1 DC24V/5V 电源设计 .253.3.2 正负 12V 电源设计 .263.4 按键模块 .273.5 报警 .273.6 本章小结 .28第四章 柔性机械手控制系统的软件设计 294.1 控制系统的软件流程 294.1.1 下位机主程序流程 .294.1.2 机械手抓取操作子程序流程 304.2 柔性机械手软件程序 314.3 本章小结 50第五章 柔性机械手控制电路仿真 515.1 五指柔性机械手运动位姿仿真 .515.1.1 传感器电路的仿真 .515.1.2 继电器仿真电路 .515.2 本章小结 .52总结 53致谢 54参考文献 55北华大学学士学位论文1第一章 绪论1.1 课题来源及背景随着现代化工业生产的发展和进步，工业机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，由于人们越来越关注机器人在社会生活各个领域的应用，而工业机器人又不能满足人们的要求，因而如何使机器人能够为人们的日常生活服务，则成为现在机器人研究领域的焦点问题。由于像人手一样具有五个手指和手掌的仿人机械手具有极强的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多场合下完成各类复杂和灵巧的操作。例如，机械制造、军事战备、医疗手术、设备安装、家务劳动等。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。国内外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。1.2 课题的研究意义随着现代化工业生产的发展和进步，工业机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，由于人们越来越关注机器人在社会生活各个北华大学学士学位论文2领域的应用，而工业机器人又不能满足人们的要求，因而如何使机器人能够为人们的日常生活服务，则成为现在机器人研究领域的焦点问题。由于像人手一样具有五个手指和手掌的仿人机械手具有极强的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多场合下完成各类复杂和灵巧的操作。例如，机械制造、军事战备、医疗手术、设备安装、家务劳动等。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.3 国内外发展状况柔性机械手具有高负载、自重比、低能耗、高速度、适于直接驱动等优点。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作” 。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的 SIN 气缸。 气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床，Robodoc 机器人，daVinci 外科手术机器人等。北华大学学士学位论文31.3.1 国外发展状况国外对柔性机械手的控制研究进行的比较早，进展也很快。20 世纪 90 年代意大利研制的 DIST 手，DIST 手具有 16 个自由度的四自由度灵巧手，每个手指有 4 个自由度，通过 5 个直流电机和 16 根键进行驱动，该手体积小，重量轻，易于安装在多种商用机械手上，该手完全模拟人手的结构动作，由 1 个手腕和 5 个手指组成，共 14 个自由度。NASA 手拧螺钉照片，其外形与灵巧性比较接近人类的手。英国shadow 机器人公司研制出了一种灵巧手，它是基于 AirMuscle 的一种机械手，是当今世界上最接近人手的机械手之一，具有 24 个自由度，可以直接完成人手到机械手的映射。1.3.2 国内发展状况20 世纪 80 年代，我国一些研究机构也先后开展了机械手的研究工作，北京航空航天大学机器人研究所先后研制了 BH-1、BH-2、BH-3、BH-4 四种型号机械手。哈尔滨工业大学研究所与德国宇航中心合作研制的新一代多指仿人机械手“HIT/DLR Hand”及其改进型分别成功地在 2004 年第一届和 2006 年第二届慕尼黑国际机器人及自动化展览会上展出，目前研制出第三代灵巧手。1.4 课题研究内容介绍本课题要进行的是柔性机械手特性试验控制系统的设计，其具体要求是机械手能够达到规定的控制精度和最小力控制。（1）需要完成的内容：1）完成系统方案设计、器件的选型及控制核心设计；2）各环节的硬件电路的设计；3）控制系统核心器件及接口电路设计；4）软件流程设计及控制程序设计；5）电源模块及其它相应电路的设计。（2）需要解决的关键问题：1）最小力控制问题；2）数据采集精度问题。（3）其主要性能指标：1）要求设计可靠灵活，操作方便；2）动作特性符合控制输入要求，达到控制精度为 1%；3）系统具有干扰的能力，采取可靠的抗干扰措施。北华大学学士学位论文41.5 本章小结本章主要介绍了本课题的来源和相关的背景，以及研究意义和国内外发展状况。第二章 柔性关节与多指柔性机械手控制系统方案设计机械手抓取模式、抓取能力和控制方法,是机械手的关键技术。对于多指机械手的抓取操作,很多学者进行了广泛深入的研究。研究内容涉及抓取位置、抓取方式和抓取控制等。机械手抓取物体时,预先通过手臂和手腕的运动,调整机械手掌心位姿,使被抓取的物体处于机械手的可操作范围内,之后由机械手完成抓取动作。由于所研究的柔性机械手主要是由弹性元件构成,柔性较大但刚性不足。因此,柔性机械手抓取动作速度不高,一般在 0.1 一 15 完成 1 个操作过程。以此减少动力学因素的影响,避免手指系统的振动和不稳定问题。这样的速度水平,也符合人类和生物手掌的一般运动情况,满足仿生机械手的基本要求。利用机械手实现物体的抓取可分为三个阶段,接近并接触物体、抓紧物体和抓起物体。三个阶段的控制涉及到机械手运动学模型、静力学模型和动力学模型。柔性机械手控制系统方案设计,主要包括控制系统硬件结构和软件控制程序两个方面。其中,系统硬件结构与控制方式、控制对象和控制要求相关,软件控制程序应根据机械手控制目标、控制功能和控制过程要求编制。所研究的柔性机械手控制系统由单片机、控制器和气压系统三部分组成。总体控制思想是由单片机及控制器构成控制系统,通过控制电磁阀的开关逻辑组合实现动作模式的选择,通过对比例压力阀组的控制实现机械手操作动作的程度和过程控制。手指的夹持能力决定了机械手的夹持能力,为此本章重点研究柔性关节及手指的弯曲夹持驱动能力,以及机械手控制系统的结构和控制方法。2.1 抓取目标与要求手指位置控制：接近接触抓紧（并移动）预松开还原；抓取速度：0.1-1s/动作；抓取力：与物体重量匹配（单指正压力 0-3.5N） 。2.1.1 手指正屈抓取物体机械手的掌心基盘外形为八面体结构(图 2.1),其中五个面安装了机械手指,手腕将安装在上面。考虑到手指的直径和安装尺寸,手掌基盘直径为 112 毫米。中指位于中心线上,拇指与无名指、食指与小拇指相对,并沿中心线对称分布,四指互成北华大学学士学位论文590。,可保证抓取的稳定性。柔性机械手刚度不高,为使其轻量化,掌心盘和手指楔形盘等元件应选用铝镁合金、高强度塑料等轻质材料。该柔性机械手共有巧个关节,最多 45 个自由度。在实际应用中,每个关节或手指可单独控制,也可分别控制。如图 2.1 所示，为双拇指机械手结构。图 2.1 双拇指机械手结构关系（1）球形物体1）指尖点接触抓取（重量 0-1kg，直径 0-320mm；）4-5 个手指同时正弯，1 个变量，10 个开关量。每个手指 1 个接触点。2）手指抱紧抓握（重量 0-1kg，直径 120-200mm）5 个手指同时正弯，1 个变量，10 个开关量。五指的每个手指接触点大于 2 个。利用该方法，也可对柱状物体进行抓握（图）（2)长方形物体（重量 0-1 公斤，尺寸 16mm*20mm-300*320）对称的四指同时正弯，先接触的两指暂停，另两指接触后，四指再同时加力到能抓紧程度。2 个自由度（变量） ，开关量 8 个。每个手指 1 个接触点。（3)三角形（重量 0-1kg；最大边长小于 320mm）利用 1、3、5 指抓取，先接触的停止，三指全接触后一起加压夹紧。三个变量，6个开关量。（4)小型物体或试探情况（捏）利用 1、4 或 2、5 两个手指正屈，捏住物体。需控制 1 个变量，4 个开关量。（5)对于异型物体（五指适应性抓取）最多需控制 5 个变量，20 个开关量，另有 25 个机动自由度。X0Y01 拇指2 食指3 中指4 无名指5 小拇指4 504 504 504 504 504 50北华大学学士学位论文62.1.2 手指外展内收夹持物体对于薄板物体（重量 0-0.5kg；厚度 0-200mm） ，基本方法是利用手指关节内收和外摆功能，根据夹持要求控制关节的压力实现。若薄板物体较小或较轻，可采用两指夹持；反之可采用 4 指夹持。1 个自由度，20 个开关量。1）两指夹持拇指和食指夹持法：夹持幅度大，适合厚度较大物体。食指与中指夹持法：夹持幅度较小，适合厚度小，夹持力大情况2）四指夹持利用拇指和食指，无名指和小指形成两对配合，夹持物体。适合于较长薄板或圆柱物体的夹持。2.2.3 弯摆复合实现操作1）正握柱状物体先通过外展和内收的横摆，使手指与柱状物体轴心垂直，然后正屈握紧。2）捻动功能（3 指）三个手指先正屈接触，然后不同手指进行外展或内收，形成相对搓动操作。3）旋拧功能（3 个自由度）运动原理，四指足够，但为避免运动干涉和简化控制系统，中指也一起同步外摆和内收动作。为避免被操作物体受力不均而失衡，中指可虚摆不夹紧。掌关节根据旋拧物体的直径，通过伸屈调整操作运动的基圆，伸屈的范围将决定可进行旋拧物体的直径范围。近关节外展和内收，完成旋拧驱动和返回，将决定每一循环完成旋拧的工作角度。远关节调整伸屈，完成夹紧和松开，将决定旋拧力矩。五指同步控制，可实现指尖协调一致按照椭圆形运动轨迹运动，完成夹紧驱动松开返回的周期动作，实现物体的旋紧和拧松要求。控制指尖椭圆轨迹的方向，可实现旋紧和拧松的转换。2.2 柔性关节的控制方法柔性关节的控制是机械手控制的基础，其控制方法主要是通过气体压力控制关节中人工肌肉的变形方向、程度和变形速度，实现对关节位置和运动速度控制。2.2.1 柔性关节气压控制原理通过实验已确定，完成最大程度的关节伸长或弯曲动作所需最短时间，为28/420 秒。因此，可确定关节运动的最大频率为 420/28 赫兹。如图 2.2 所示，关节中四条人工肌肉工作状态由四个两位三通电磁换向阀决定。当电磁换向阀不通电时，人工肌肉内腔压力为零，处于自由状态。北华大学学士学位论文71 人工肌肉 2 两位三通电磁阀 3、压力传感器 4 比例阀 5 气源调节装置 6 气源图 2.2 关节气压控制系统 图 2.3 关节运动形态2.2.2 关节位置控制关节的位姿控制是机械手抓取控制的基础，直接决定了手指位置控制的精度和稳定性，气动柔性关节的位姿有正屈、反伸、外展、内收和轴向伸长五种动作模式。表 2-1 关节运动模式对电磁铁及比例阀动作要求电磁阀通电状态关节运动形态 1DT 2DT 3DT 4DT比例压力阀正屈 + + 0 - 0.35MPa反伸 + + 0 - 0.35MPa外展 + + 0 - 0.35MPa内收 + + 0 - 0.35MPa轴向驱动 + + + + 0 - 0.35MPa关节位姿的控制，首先是关节运动形态的选择和控制。由表 2-1 可知，当电磁阀 1YA 和 2YA 通电，1 号和 2 号人工肌肉通入压力气体，关节将进行正屈变形，既关节绕 X 轴正向弯曲。此时，关节变形的程度由比例阀调整压力实现。关节的弯曲变形与通入气体压力之间存在非线性关系，若控制关节的变形量在一定范围内，其非线性较小。为简化控制，在工程误差允许范围内可进行二次拟合处理。根据上式知(2-1)cbPal2(2-2)fed式中，a、b、c、d、e、f 为待定系数，由关节几何和物理参数决定。2.2.3 关节运动速度控制柔性关节工作时，其运动速度就是关节的变形速度，可用关节中心轴长度的导数 和关节端面弯曲角度的导数 两个变量表征。.l .当作为弯曲关节使用时，柔性关节存在两种变形的耦合，涉及 和 两个变量的.l.13 2 4 XZY 正屈 反伸内收 外展北华大学学士学位论文8控制问题。从实际应用角度，为简化控制通常设置 P3=0，则运动速度的控制仅取决于气体压力 P1=P 的变化率。由上式可知当作为轴向驱动器使用时，柔性关节只有单一的轴向变形，其运动速度仅用表征。此时关节的控制问题相对简单，由式可知，关节轴向变形的速度取决于压l力变化的梯度。既 ldtl(2-3)t(2-4)(2-5)ldl通常情况，关节的速度控制是通过调整气压的变化梯度实现的（图 2.4） 。如何保证速度要求和达到柔顺控制是关节控制的关键问题。图 2.4 气体压力控制方式2.2.4 关节驱动力控制关节驱动力控制，是通过气体压力调整和控制实现的，气体压力高驱动力大。根据驱动情况，驱动力与压力成一定的非线性关系，控制式应根据数学模型进行调整。当作为轴向驱动器使用时，关节整体轴向驱动力的控制，简单的方法是采取气体压力控制的开环控制方式。当与被驱动的物体接触后，根据公式模型，通过调整比例阀的压力增量达到输出驱动力的控制目的。若要实现驱动力的实时精确控制，可采用比例调压和轴向力传感器构成闭环反馈控制系统实现。关节的动力学特性（质量、和阻尼的影响）关节弯曲驱动力的控制，需要采取闭环控制方式。初步调整，依靠关节中设置的气压传感器，精确调整通过在关节与被驱动物体接触点处设置力传感器。tp北华大学学士学位论文92.3 五指机械手气压控制系统2.3.1 五指机械手气压控制系统原理柔性五指机械手由 16 个柔性关节构成，其中腕关节一个，指关节 15 个，共需控制 64 条人工肌肉。若实现机械手全部功能，需控制 64 个开关量和 16 个数字量变量，气压控制系统将较为复杂且价格高。即使是比较灵活和柔性的人类手指关节，也不是每一个关节都是独立控制的，如远指关节一般都与近指关节联动。因此机械手的控制，可根据功能和动作要求对控制量进行必要的串并联组合，达到优化气压控制系统的目的。具体控制时，开关量采用两位三通电磁换向阀进行控制，数字量采用比例压力阀进行控制。图中人工肌肉编号为三位数，其中个位数表示关节中人工肌肉编号，十位数表示手指中关节编号，规定 1 表示基关节、2 近指关节、3 远指关节、w 腕关节，百位数表示手指编号，其中 l 表示拇指、2 食指、3 中指、4 无名指、5 小拇指。换向阀编号采用两位数，其中个位数表示关节中人工肌肉编号，十位数表示手指编号。该气压控制系统共有 24 个电磁换向阀和 6 个比例阀，可对机械手完成抓、夹、弹等 12 个动作模式进行有效控制。其中，每个手指三个关节编号相同的人工肌肉采用串联方式，由一个电磁换向阀控制其开关状态，每个手指的四条气路并联由一个比例压力阀进行控制，调整压力值大小。其控制结果是每个手指的三个关节的运动实现了联动，运动形态和程度是一致的。所构建的气压控制系统优点是，整个机械手的控制问题简化为对类似 6 个关节的控制，且不影响各关节对物形的适应性,能完成柔性机械手 80%以上的功能。气压控制系统得到大幅度简化，并使手指处控制气路的连接变得简单易行，解决了柔性气路和手指结构紧凑的问题。同时也简化了电气控制系统结构，降低了整体控制系统成本。不足之处在于抓握时，不能有效地对手指各关节的位姿和驱动力进行独立控制，将影响手指不同接触点的受力分配和均匀性，也难以完成手指独立弯摆，实现复杂绕、拧等运动的能力。北华大学学士学位论文10图 2.5 五指机械手气压控制系统原理2.3.2 气压控制系统组成气压控制系统主要由 6 个比例阀和 24 个换向阀组成，所用元器件型号和数量见表 2-2。2.3.3 抓取功能控制要求与气压系统控制方案电磁阀的功能，是控制机械手动作的方式；按照抓取要求,通过机械手控制程序发出指令, 使手指相应的电磁换向阀通电(表 2-3),实现所需要的抓取动作模式。比例阀的作用,是调整和控制动作的过程和程度。应根据各手指动作位置、速度和夹持力的要求,采取升压、保持、降压和回零等策略,实现动作协调和完成动作要求。表 2-3 手指抓取功能与电磁换向阀控制动作要求拇指（YA） 食指（YA） 中指（YA） 无名指（YA） 小拇指（YA）动作11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 41 42 43 44 51 52 53 54五指 四指 三指 两指 抓单指 表 2-4 手指动作功能与比例压力阀的调压要求拇指（1BL） 食指（2BL） 中指（3BL） 无名指（4BL） 小拇指（5BL）动作 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4五指 抓 四指 北华大学学士学位论文11三指 注：“”代表升压；“”代表降压；“”表示压力保持；“”表示继续升压；“0”代表压力为零。表 2-3 手指抓取功能与电磁换向阀控制动作要求名称 型号 数量 厂家小型断路器 DZ47-60 30 浙江正泰电器股份有限公司压力传感器 FSR400 4 件电磁换向阀 4V210-08 24 亚德客工业股份有限公司比例阀 1TV1050-012N 6 亚德客工业股份有限公司气缸 TESTED SY 939 1气管 4mm 50 米 山耐斯有限公司气动快插接头 spc4-01 30精密减压阀 IR2020-02 1 SMC表 2-5 为机械手手腕府、仰、左摆和右摆等四个姿态的控制要求。其中,6lYA、62YA、63YA 和 64YA 四个电磁阀的通电状态决定了手腕的姿态。姿态的启、停、加速、减速和位置控制由比例阀(6BL)决定。表 2-5 手腕运动功能与气动控制阀的动作要求2.4 多指柔性机械手控制系统方案比较机械手电气控制系统需要对机械手各种动作模式下的抓取、夹取等操作任务的完成实施有效控制,包括动作模式速度和力的控制。方案一：采用开环控制系统通过预定控制量值的大小进行开环控制。采用开环控制的优点是简单、方便，系统简洁，成本低廉。缺点是无反馈不能构成系统回路，不能准确判断实时控制的压力，也不易甄别故障点；抗干扰能力下降，适应不同的环境能力差，甚至不能胜任变化的环境，应用范围在。方案二：采用闭环控制系统通过控制压力传感器进行检测实时的接触抓取物时的压力大小，来形成闭环控制系统。闭环控制的优点是系统精度高，通过采集反馈数据能更好的适应各种手腕动作61YA 62YA 63YA 64YA 比例阀(6BL)工作 0-0.35Mpa俯回零工作 0-0.35Mpa仰回零工作 0-0.35Mpa左摆回零工作 0-0.35Mpa右摆回零北华大学学士学位论文12环境，让机械手的抓取力度能更精确，还可以通过得到的数据在上位机上画出曲线，对被抓取物受力分析提供了有力的数据支持。缺点是整个系统成本高，系统复杂。方案比较：由于要适应不同的抓取环境，面对不同的物体要有所不同的改变参数，并且要系统稳定运行，所以选择闭环控制。工业控制计算机：其控制方法是对过程变量进行周期扫描，向操作人员显示全过程的信息，并通过计算为模拟量调节器设置给定值。优点是：在要求快速、实时性强、功能复杂的领域中占有优势。缺点是：工控机价格较高；PLC 控制：其控制方法是由电脑或便携式编程设备编写程序，称之为 T 型图，编写好后用专用链接线导入 PLC，然后接通 PLC 控制电路，以 PLC 控制接触器等控制设备。优点是：灵活性和可扩展性很好。缺点是：PLC 适用于中、大型设备。单片机控制：单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。直接将它与外部信号相连，再附加一些配套的集成电路和 I/O 接口电路。优点：适用于小型设备。缺点：硬件设计、软件设计工作量相当大，要求设计者具有较强的计算机领域的理论知识和实践经验；通过比较，结合本课题的研究指标，我采用单片机控制。2.5 本章小结本章首先介绍了柔性机械手完成了机械手气压控制原理、手指动作控制的选择和控制系统的总体设计工作以及控制系统方案的确定。第三章 柔性机械手控制系统的硬件设计3.1 控制系统硬件设计3.1.1 总体控制方案设计由于机械手在抓取物体时要控制其抓取动作，同时各手指接触物体时要实时感知手指的压力，确保安全合理地抓取目标物体，因此，在机械手中各个手指相应部位设置压力传感器，机械手的动力源为气体；综合机械手要求及输入模拟量多的特点，其控制系统采用飞思卡尔芯片作为核心控制，外部传感器信号经 A/D 转换，并利用 CPU 实现系统的控制设计，同时为方便控制，系统具有键盘输入、显示及报警等功能。系统中气压传感器和指尖压力传感器感知压力变化并转化成模拟电信号，通过北华大学学士学位论文13数据传感器将模拟电信号转化成数字信号提供给控制中心，CPU 得到橡胶管气压和手指压力相关数据，根据相关的数学模型控制橡胶管气压的大小，相关的数据值可以在下位机上显示，对于不同的抓取对象，设定参数有所不同，可以用键盘修改内部参数，系统控制原理结构图如图图 3.1 控制系统原理结构框图3.2.2 控制最小系统的设计系统需控制24个电磁阀、6个比例阀、5个压力传感器还有报警模块，根据系统所需端口数量，核心控制选择飞思卡尔芯片Kinetis K60系列MCU。Freescale公司Kinetis K60系列MCU,工作电压1.71-3.6V,闪存的写电压为1.71-3.6V，采用ARMCortex-M4内核,其性能可达到1.25DhrystoneMIPS/MHz。该系列提供高达180MHz 的性能和IEEE1588以太网MAC，用于工业自动化环境中的精确的、实时的时间控制。硬件加密支持多个算法，以最小的CPU负载提供快速、安全的数据传输和存储。系统安全模块包括安全密钥存储和硬件篡改检测，提供用于电压、频率、温度和外部传感（用于物理攻击检测）的传感器。KinetisK60 MCU主要用在工业如安全照相机，建筑物自动化控制和电梯控制屏以及医疗电子如心电图(ECG)，生命信息监测仪,运程医疗保健系统，心率监视器，除颤仪，麻醉监视器，呼吸机等。本文精选了Kinetis K60原理、教程、例程、设计案例，以及基于Kinetis K60的流行板卡，集结了国内外官方资料和资深工程师的经验，是Kinetis K60 MCU的初学者必备宝典。飞思卡尔芯片主要功能模块包括：核心控制M C 9 S 1 2 X S 1 2 8 M A AA / D 芯片T L C 2 5 4 3压力传感器F S R 4 0 0键盘输入 显示D / A 芯片T L C 5 6 1 86 个比例阀驱动2 4 电磁阀北华大学学士学位论文141）内部存储器2）2个异步串口通讯 SCI3）1个串行外设接口 SPI4）MSCAN 模块5）1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM6）周期中断定时器模块PIT7）16通道A/D转换模块ADC8）1个8通道脉冲宽度调制模块PWM图 3.2 飞思卡尔最小系统实物图S12XS128PWM 模块介绍:PWM 调制波有8个输出通道，每一个输出通道都可以独立的进行输出。每一个输出通道都有一个精确的计数器（计算脉冲的个数） ，一个周期控制寄存器和两个可供选择的时钟源。每一个 PWM 输出通道都能调制出占空比从0100% 变化的波形。PWM 的主要特点有：（1）它有8个独立的输出通道，并且通过编程可控制其输出波形的周期。（2）每一个输出通道都有一个精确的计数器。（3）每一个通道的 PWM 输出使能都可以由编程来控制。（4）PWM 输出波形的翻转控制可以通过编程来实现。（5）周期和脉宽可以被双缓冲。当通道关闭或 PWM 计数器为0时，改变周期和脉宽才起作用。（6）6、8字节或16字节的通道协议。（7）有4个时钟源可供选择（A、SA、B、SB） ，他们提供了一个宽范围的时钟频率。（8）通过编程可以实现希望的时钟周期。（9）具有遇到紧急情况关闭程序的功能。北华大学学士学位论文15（10）每一个通道都可以通过编程实现左对齐输出还是居中对齐输出。图 3.3 飞思卡尔 MC9S12XS128 最小系统电路图3.2.2.1 晶振模块单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。晶振电路如图 3.4 所示1234567891012314516718920VRL61SA2P0/XD063S1/T4P2/R165S3/TXDE67PJ7/KWJ786/669PM5/SC0704/OI1P3/S72M2/I03P1/TXCAN/TXD1740/R0/R5VS176DXP7/WM7785/59P4/480PA04112P243A3P44556PA64778VD49S250PAD0/AN011/152P02/023AD3/AN354P4/04567589VH60PB5 2162P73PE7/CLKX2/CLKS24PE65526ECKL/PE47VSX28D9REST30VR1S32PLEXTA34L5VDP36E37P238IRQ/E19X/PO40MC9S12XS128MA135246BDM1HEAR 3X2+5GND0RVL1GND102C4220n 1%10310410uC1310uHL1 D161KR58GND+5GND103C3810410uC34GNDGND51R93.KR924.7KR8610R84REST10GNDVC10MR752P 1%2P 1%20n 1102C202YXTALGNDPA0PAPPAPB01P2B3P4PB56P7P01P23P45PPM01PMP45PMPS23TP1T2P3PT5PT67PADPADPPAD北华大学学士学位论文16图 3.4 晶振电路图3.2.2.2 复位模块复位电路：单片机需要在上电之后给其一个复位信号才能正常工作，我们在开发和调试单片机系统时也往往要对它进行手动复位，而且当单片机系统供电电压过低时，程序的运行会出现非正常的情况，要求我们在低压时也必须对单片机系统进行复位，这样我们必须为它设计一个复位电路，如图 3.5 所示。图 3.5 复位电路原理图3.2.3 压力传感器的设计本设计要求机械手完成抓取规则物体的动作。以气压作为动力来源，控制气压的大小可以控制机械手位姿，从而达到抓取物体的目的。根据关节的弯曲原理，首先给整个机械手所有柔性关节通入 0.5MPa 的预压。继续增加橡胶管 1、2 内的压力（P1=1：1） ，手指弯曲。根据获得的各指节末端的位置，可通过控制气压来控制机械手各指节的位置。由于采用了压力传感器，可时时采集到指节压力的变化。当有压力反馈值时（F 1=0） ，说明已接触到物体。当压力反馈值达到设定值时（ ） ，物体被抓/2NF起。压力要小于可输入最大值 。抓取物体动作完成，即给整体卸压，机械手恢复3F到初始状态。4.7K100.1uFKEYGND+5V10MR652P 1%2P 1%2Y1 GND3435北华大学学士学位论文17对于不同质量和材质的抓取对象，抓取力度有所变化。每个指尖上的压力传感器，来感知抓取压力的大小，通过反馈数值与设定值比较，来决定是否增加橡胶管中的气压；橡胶管中的气压传感器来获取气压信号，与指尖的压力传感器相配合构成一个闭环控制系统 14，如下图 3.6 所示。图 3.6 压力控制原理框图机械手的每个手指上设置有压力传感器，压力传感器采集的抓取压力控制信号进行处理后为标准的电压信号，信号送入 A/D 口，经 A/D 转换后进入主控芯片。图 3.7 FSR400 压力感应电阻传感器机械手指压力传感器选用 FSR400 压力感应电阻传感器件，其实物如图 3.7 所示。当感应面受到压力时抗阻会相对下降，从而得到不同压力数据。其传感器特性：最大流率：连环电子，感应区域：0.2 圈；输出信号:被动式可变电阻；压力感应范围:0到 10kg；寿命:大于 1000 万次压力感应。根据 FSR400 压力感应电阻传感器件的动作特性曲线，将其压力信号通过电路转换为标准电压信号，满足控制要求，避免了高精度触觉传感器电路复杂等问题，传感器感应压力与电阻变化曲线如图 3.8 所示。压 力 设 定 值 控 制 器 比 例 阀 压 力信 号 放 大北华大学学士学位论文18图 3.8 FSR400 传感器感应压力与电阻变化曲线将压力传感器的压力信号通过外接电源并配置适合的电阻，从而将实时压力信号转换为标准电压信号，满足设计机械手的控制要求，其中配置电阻约为 220 欧姆：其设计电路如图 3.9 所示。 VC输 入 信 号压 力 传 感 器图 3.9 压力信号转换电路该传感器厚度为 0.208 毫米，可弯曲和耐用，作为接触测力传感器使用较为合适。其外部材料是聚酯，传导材料为银，感测区內部是使用电阻墨水。寿命 1 百万次，线性误差小于 5%，反应时间小于 5 微秒；工作温度-960 度；最大压力 110N。工作中，压力传感器将其压力信号通过信号调理电路转换为标准电压信号，满足控制要求，其信号调理电路如图 3.10 所示。20k51k10k5k10kLM358 LF412GNDGNDGND+12V-12V-12V+12V传 感 器 A/D32 14XZabc图 3.10 传感器信号调理电路 图 3.11 力传感器位置从指端观察，关节外贴片式测力传感器分布如图 3.11 所示。根据手指抓取物体时，接触点受力发馈控制的需要，机械手共设置贴片式测力传感器 11 个。其中，拇指上 2 个为 13a 和 13b；食指上 3 个为 23a、23b 和 23c；中指上 2 个为 33a 和33c；无名指上 1 个为 43a；小拇指上 2 个为 53a 和 53c。力传感器用两位数字编号，分别表示传感器所在的手指和关节编号。3.2.4 运算放大器的选择及接口电路设计压力传感器的输出信号较弱，需要运算放大器将压力传感器的标准电压信号放大后处理，针对压力传感器输出的标准信号，LMV358 是通用型低电压，轨到轨输出放大器，选用图 3.10 设计放大电路。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件北华大学学士学位论文19下，电源电流与电压电源无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组、音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合内部频率补偿。LM358 特性：直流电压增益高(约 100dB)，单位增益频带宽(约 1MHz)，电源电压范围宽：单电源(330V)，双电源(1.5 一15V)，低功耗电流，适合于电池供电,低输入偏流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围，宽等于电源电压范围,输出电压摆幅大（0 至 Vcc-1.5V)。LM358 主要参数：输入偏置电流 45nA、输入失调电流 50nA、输入失调电压2.9mV、输入共模电压最大值 VCC1.5V、共模抑制比 80dB、电源抑制比 100dB。20k51k10kLM358GNDGND-12V+12VVCGND压 力 传 感 器 FSR40图 3.12 放大电路原理图从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻 R3，通过调节 R3 可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用 LM358 集成运算放大器，是为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图 3.12 所示，前一级约为 10 倍，后一级约为 3 倍。温度在 0-100 度变化，当温度上升时，Pt100 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压 Av 对应升高。3.2.5 滤波的电路设计在实际的电子系统中，输入信号往往是含有多种频率成分的复杂信号，可能还会混入各种噪声、干扰及其他无用频率的性号，因此需要设法将有用频率信号挑选出来，将无用信号频率抑制掉。完成此任务需要具有选频功能的电路。将信号的频率具有选择性的电路称为滤波器，他能是特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过，按照滤波器的工作频率，滤波器可分为低通滤波器（LPF） 、高通滤波器（HPF） 、带通滤波器（BPF）等。如果滤波器含有有源元件（晶体管、集成运算放大器等） ，侧称为有源滤波。本实验就是利用低通滤波器的原理，设计电路，使其实现对输入信号的筛选和截止，将无用的信号抑制掉。北华大学学士学位论文20滤波电路是一种能使有用信号通过而抑制无用频率信号的电子装置。工程上常用它来做处理信号、数据传送和抑制干扰等。而有源低通滤波器是允许低频信号通过而抑制高频信号的元件。它运用面积非常的广泛，常被用作信号处理器。 本文以有源低通滤波器设计为例介绍了一种电路优化设计的方法,通过优化设计能使某些性能要求比较适当调试比较简单的电路,使其降低元器件精度要求、简化调试、提高性能。实验设计思路：采用计算法设计有源低通二阶滤波器，其电路从集成运放输出到同相输入间引入一个负反馈，该反馈使改滤波器只允许低频端的信号通过，实现低通滤波。用查表法设计，已知电路响应特性、形式、类型及阶数、滤波器性能参数，再根据截止频率，选定电容标称值，查表求出相应电容值及电阻值，通过计算得到设计值以确定电路参数。图 3.13 滤波电路原理图选择运放：为了减少负载对滤波电路的负载效益，同时便于调整，我选用具有JFET 作输入级的低调，高输入阻抗运放的 LF412。电路原理图如 3.13，要求截止频率为 100HZ，为了波特图能够更好的平稳，我选择 Q 值为 0.707，选择电容器的容量，计算我选择 C1=C3=0.01 ,则根据根式得:FR1=R2=16K (3-1)低通滤波传递函数为:(3-2)csKW)(3.2.6 A/D 的选择及接口电路设计为了记录同一时刻机械手各手指的动态参数，以评价、分析和控制其性能，需要进行模拟量的采样，并将采样数据经放大、滤波、A/D 转换、光耦进入 CPU。具体方法是选用采样保持电路实现同步保持。信号采集过程如图 3.14 所示。5k10kLF412GND+12V-12V 1AIN0213I24AN35I4657AIN68I79I810GND1AIN921013REF-4+15CS6OUT17INP8CLK19EO20VCTLC110k GNDLM358北华大学学士学位论文21放大C P U外部模拟量滤波A/ D 转换光耦图 3.14 信号采集A/D 采样电路选用 12 位 11 路串行 TLC2543，每个通道转换时间为 10 ，I/Os时钟最高能达到 3 ，完成 11 路模拟量的采集，采样保持电路选择 LF398 采样sMbit/保持器，其主要技术指标有： 5 18V 工作电压， 采样时间。s10压力传感器的输出信号经过放大、滤波和隔离处理后，CPU 想要采集压力传感器的数据就需要将模拟量信号准换为数字量信号，这就需要 A/D 转换电路。TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D 转换过程。由于是串行输入结构，能够节省单片机 I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。实物图如图所示图 3.15 TLC2543 芯片1AIN02I13AIN24I35AIN46I57AIN68I79AIN810GD1AIN92I1013REF-4+15CS6OUT17INP8CLK19EO20VCTLC2543GND 5V5VPAD01PAD2PAD4图 3.16 TLC2543A/D 转换原理图3.2.7 比例阀的选择及接口电路设计气动比例调压阀选用 ITV1050-012 型，可调节压力范围为 0.0050.9MPa。其工作电压直流 24V，输入调节电流 4-20mA。按着设定，由控制器输出信号经 D/A 转换后通过气动比例阀控制机械手所需的压力，控制器同时控制五个手指及手腕的两位三通电磁阀。两位三通电磁阀以比例阀提供的压力,由控制器发出信号经隔离和驱动电路控制导通关断,按工作任务顺序完成控制任务。气动比例调压阀系统组成如图 3.17 所示,北华大学学士学位论文22由先导式调压阀,二位二通高速开关阀,气压传感器,控制电路等组成。其中控制电路以 FeeescaleMC9S12 微控制器为核心,包括压力信号的放大、开关阀电磁铁的驱动电路、PC 机通讯、按键控制等组成。比例阀工作原理：图 3.17 气动调压阀结构简图系统开始工作时，由键盘输入调压阀调整压力，压力传感器检测调压阀出口压力，当检测压力小于调整压力时，高速开关阀中进气阀打开，排气阀关闭，向调压阀先导腔供气，调压阀主阀芯下移，出口压力升高。同时，压力值由传感器检测反馈给控制电路，控制器以检测值与预定值的偏差量 e 为基础，通过 PID 算法控制PWM 脉冲宽度,根据占空比驱动进气阀和排气阀的开关时间，实现对先导腔压力的控制。直到偏差量 e 为零时，进气阀、排气阀均关闭，调压阀出口压力稳定在预定值，工作流程如图 3.11 所示。PID控 制 调 压 阀进 、 排 气 阀PWM控 制压 力 传 感 器 系 统 压 力 出 口输 入 信 号 +e-图 3.18 工作流程图PID 控制算法：由于气动系统非线性因素较多，不易建立精确的数学模型，本系统采用增量式数字 PID 算法，避免了这一麻烦，参数整定选定归一法参数整定，便于工程调试。e(KT)= -x(KT) (3-3)(KTu(KT)=kp2.45e(KT)-3.5e (3-4)(K-1)T+1.25e(K-2)T (3-5)式中：e(KT)-偏差量；Input)-输入信号量；x(KT)-反馈量；u(KT)-控制器增量；控 制 电 路输 入 信 号电 源 气 压 传 感 器先 导 式 调 压 阀进 气 阀 排 气 阀北华大学学士学位论文23kp-整定参数。PWM 驱动：系统采用脉宽调制(PWM )信号来驱动两个高速开关阀(进气阀和排气阀)的开闭时间,控制先导腔压力。进气阀开启时间为 T1，排气阀开启时间为 T2=T-T1，PWM 采用异步驱动方式,即进气阀和排气阀不同时工作。当 u(KT)0 时，对先导腔加压控制，出口压力升高；当 u(KT)0 时，对先导腔减压控制，出口压力降低；u(KT)=0 时，进气阀与排气阀均关闭，出口压力稳定。性能试验：经过试验和分析，系统采样频率选定 120Hz，取 8 个采样值软件递推平均滤波，气源压力 0.2MPa，设定调整压力 0.35MPa，通过出口压力测量，得到动态响应曲线。3.2.8 D/A 的选择及接口电路设计比例阀由电流控制，输入电流需经过D/A转换后，在经过提升电路后进入比例阀，结合本设计我选用TLC5618芯片实现D/A转换，TLC5618是带有缓冲基准输入的双路12位数模转换器，通过CMOS兼容的3线串行总线，可对TLC5618实现数字控制。器件接收的用于编程的16位字的前4位产生数据的传送模式，后12位产生模拟输出。输出电压为基准电压的两倍，且单调变化。数字输入端带有斯密特触发器，具有较高的噪声抑制能力。数字通信协议包括SPITM、QSPITM和MICROWIRETM标准。TLC5618在5V电源下工作，功耗极低(慢速方式3mW,快速方式8mW)，并具有上电复位功能。可用于移动电话、测试仪表、自动测试控制系统等领域。TLC5618的特点：1）5LSB 的建立时间为 2.5ms 或 12.5ms2）8 引脚封装内有两路 12 位 CMOS 电压输出 DAC、DACA 和 DACB 同时更新3）高阻抗基准输入,范围 1VDD-1.1V4）电压输出范围是基准输入电压的 2 倍5）1.21MHz 的输入数据更新速率图 3.19 TLC5618 芯片北华大学学士学位论文24控制系统将运行各个部分的状态量采集到控制核心，根据控制要求输出控制信号，经过 D/A 转换实现对机械手的运动控制。选择双通道 12 位串行 D/A TLC5618，能够输出二倍基准电压的电压信号，通过 CMOS 兼容的 3 线串行总线实现数字控制。由于 TLV5618 的参考电压范围为 V，典型值为 V，因此基准源 REF192 输7.10024.1出的 V 电压要通过精密电阻分压得到 V，再接 TLV5618，信号放大后将其输出 05.225.-5V 电压转换为 4-20mA 控制比例阀。DIN1SCLK23OUTA4 GND5RCF6OUTB7VC8TLC5618 +5VGNDGND 10GNDR93比 例 阀 1TV105-012NGND10K图 3.20 TLC5618D/A 转换原理图3.2.9 光耦隔离的设计机械手动作需要 CPU 控制电磁阀动作，由于 CPU 和电磁阀的电平不匹配，故采用由于光电耦合器电路，隔离、驱动电磁阀动作，且提高信号抗干扰能力强，又使其不受信号源是否接地的限制。TLP521：光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED） ，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。TLP521 的原边相当于一个发光二极管，原边电流 If 越大，光强越强，副边三极管的电流 Ic 越大。副边三极管电流 Ic 与原边二极管电流 If 的比值称为光耦的电北华大学学士学位论文25流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。作反馈用的光耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化”来实现反馈,因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。此外，使用这类光耦必须注意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定