畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(柔性機(jī)械手)

北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文目錄第一章緒論 11.1課題來(lái)源及背景 11.2課題的研究意義 11.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 21.3.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 31.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 31.4課題研究?jī)?nèi)容介紹 31.5本章小結(jié) 3第二章柔性關(guān)節(jié)與多指柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 42.1抓取目標(biāo)與要求 42.1.1手指正屈抓取物體 42.1.2手指外展內(nèi)收夾持物體 52.2.3彎擺復(fù)合實(shí)現(xiàn)操作 62.2柔性關(guān)節(jié)的控制方法 62.2.1柔性關(guān)節(jié)氣壓控制原理 62.2.2關(guān)節(jié)位置控制 72.2.3關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度控制 72.2.4關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力控制 82.3五指機(jī)械手氣壓控制系統(tǒng) 82.3.1五指機(jī)械手氣壓控制系統(tǒng)原理 82.3.2氣壓控制系統(tǒng)組成 92.3.3抓取功能控制要求與氣壓系統(tǒng)控制方案 102.4多指柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)方案比較 112.5本章小結(jié) 12第三章柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 123.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 123.1.1總體控制方案設(shè)計(jì) 123.2.2控制最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 133.2.3壓力傳感器的設(shè)計(jì) 153.2.4運(yùn)算放大器的選擇及接口電路設(shè)計(jì) 183.2.5濾波的電路設(shè)計(jì) 183.2.6A/D的選擇及接口電路設(shè)計(jì) 203.2.7比例閥的選擇及接口電路設(shè)計(jì) 203.2.8D/A的選擇及接口電路設(shè)計(jì) 223.2.9光耦隔離的設(shè)計(jì) 233.2顯示器的設(shè)計(jì) 243.3電源模塊的設(shè)計(jì) 253.3.1DC24V/5V電源設(shè)計(jì) 253.3.2正負(fù)12V電源設(shè)計(jì) 263.4按鍵模塊 273.5報(bào)警 273.6本章小結(jié) 28第四章柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 294.1控制系統(tǒng)的軟件流程 294.1.1下位機(jī)主程序流程 294.1.2機(jī)械手抓取操作子程序流程 304.2柔性機(jī)械手軟件程序 314.3本章小結(jié) 50第五章柔性機(jī)械手控制電路仿真 515.1五指柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)位姿仿真 515.1.1傳感器電路的仿真 515.1.2繼電器仿真電路 515.2本章小結(jié) 52總結(jié) 53致謝 54參考文獻(xiàn) 55第一章緒論1.1課題來(lái)源及背景隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人早已經(jīng)被廣泛地用來(lái)代替工人完成一些簡(jiǎn)單和重復(fù)性的勞動(dòng)。然而，由于人們?cè)絹?lái)越關(guān)注機(jī)器人在社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，而工業(yè)機(jī)器人又不能滿足人們的要求，因而如何使機(jī)器人能夠?yàn)槿藗兊娜粘Ｉ罘?wù)，則成為現(xiàn)在機(jī)器人研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)問(wèn)題。由于像人手一樣具有五個(gè)手指和手掌的仿人機(jī)械手具有極強(qiáng)的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多場(chǎng)合下完成各類復(fù)雜和靈巧的操作。例如，機(jī)械制造、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、設(shè)備安裝、家務(wù)勞動(dòng)等。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。1.2課題的研究意義隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人早已經(jīng)被廣泛地用來(lái)代替工人完成一些簡(jiǎn)單和重復(fù)性的勞動(dòng)。然而，由于人們?cè)絹?lái)越關(guān)注機(jī)器人在社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，而工業(yè)機(jī)器人又不能滿足人們的要求，因而如何使機(jī)器人能夠?yàn)槿藗兊娜粘Ｉ罘?wù)，則成為現(xiàn)在機(jī)器人研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)問(wèn)題。由于像人手一樣具有五個(gè)手指和手掌的仿人機(jī)械手具有極強(qiáng)的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多場(chǎng)合下完成各類復(fù)雜和靈巧的操作。例如，機(jī)械制造、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、設(shè)備安裝、家務(wù)勞動(dòng)等。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r柔性機(jī)械手具有高負(fù)載、自重比、低能耗、高速度、適于直接驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作”’。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等?，F(xiàn)代汽車(chē)制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車(chē)身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車(chē)身外殼被真空吸盤(pán)吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個(gè)工序過(guò)程的高度自動(dòng)化，堪稱是最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用之一。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤(pán)將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運(yùn)送到指定目標(biāo)位置。對(duì)加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。

氣動(dòng)機(jī)械手用于對(duì)食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動(dòng)計(jì)量包裝；用于煙草工業(yè)的自動(dòng)卷煙和自動(dòng)包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)加蓋、安裝和擰緊氣動(dòng)機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動(dòng)機(jī)械手等。此外，氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)病床，Robodoc機(jī)器人，daVinci外科手術(shù)機(jī)器人等。1.3.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外對(duì)柔性機(jī)械手的控制研究進(jìn)行的比較早，進(jìn)展也很快。20世紀(jì)90年代意大利研制的DIST手，DIST手具有16個(gè)自由度的四自由度靈巧手，每個(gè)手指有4個(gè)自由度，通過(guò)5個(gè)直流電機(jī)和16根鍵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該手體積小，重量輕，易于安裝在多種商用機(jī)械手上，該手完全模擬人手的結(jié)構(gòu)動(dòng)作，由1個(gè)手腕和5個(gè)手指組成，共14個(gè)自由度。NASA手?jǐn)Q螺釘照片，其外形與靈巧性比較接近人類的手。英國(guó)shadow機(jī)器人公司研制出了一種靈巧手，它是基于AirMuscle的一種機(jī)械手，是當(dāng)今世界上最接近人手的機(jī)械手之一，具有24個(gè)自由度，可以直接完成人手到機(jī)械手的映射。1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)80年代，我國(guó)一些研究機(jī)構(gòu)也先后開(kāi)展了機(jī)械手的研究工作，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所先后研制了BH-1、BH-2、BH-3、BH-4四種型號(hào)機(jī)械手。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究所與德國(guó)宇航中心合作研制的新一代多指仿人機(jī)械手“HIT/DLRHand”及其改進(jìn)型分別成功地在2004年第一屆和2006年第二屆慕尼黑國(guó)際機(jī)器人及自動(dòng)化展覽會(huì)上展出，目前研制出第三代靈巧手。1.4課題研究?jī)?nèi)容介紹本課題要進(jìn)行的是柔性機(jī)械手特性試驗(yàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其具體要求是機(jī)械手能夠達(dá)到規(guī)定的控制精度和最小力控制。（1）需要完成的內(nèi)容：完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、器件的選型及控制核心設(shè)計(jì)；各環(huán)節(jié)的硬件電路的設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)核心器件及接口電路設(shè)計(jì)；軟件流程設(shè)計(jì)及控制程序設(shè)計(jì)；電源模塊及其它相應(yīng)電路的設(shè)計(jì)。（2）需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：1）最小力控制問(wèn)題；2）數(shù)據(jù)采集精度問(wèn)題。（3）其主要性能指標(biāo)：1）要求設(shè)計(jì)可靠靈活，操作方便；2）動(dòng)作特性符合控制輸入要求，達(dá)到控制精度為1%；3）系統(tǒng)具有干擾的能力，采取可靠的抗干擾措施。1.5本章小結(jié)本章主要介紹了本課題的來(lái)源和相關(guān)的背景，以及研究意義和國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。第二章柔性關(guān)節(jié)與多指柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)機(jī)械手抓取模式、抓取能力和控制方法,是機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于多指機(jī)械手的抓取操作,很多學(xué)者進(jìn)行了廣泛深入的研究。研究?jī)?nèi)容涉及抓取位置、抓取方式和抓取控制等。機(jī)械手抓取物體時(shí),預(yù)先通過(guò)手臂和手腕的運(yùn)動(dòng),調(diào)整機(jī)械手掌心位姿,使被抓取的物體處于機(jī)械手的可操作范圍內(nèi),之后由機(jī)械手完成抓取動(dòng)作。由于所研究的柔性機(jī)械手主要是由彈性元件構(gòu)成,柔性較大但剛性不足。因此,柔性機(jī)械手抓取動(dòng)作速度不高,一般在0.1一15完成1個(gè)操作過(guò)程。以此減少動(dòng)力學(xué)因素的影響,避免手指系統(tǒng)的振動(dòng)和不穩(wěn)定問(wèn)題。這樣的速度水平,也符合人類和生物手掌的一般運(yùn)動(dòng)情況,滿足仿生機(jī)械手的基本要求。利用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)物體的抓取可分為三個(gè)階段,接近并接觸物體、抓緊物體和抓起物體。三個(gè)階段的控制涉及到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、靜力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),主要包括控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件控制程序兩個(gè)方面。其中,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與控制方式、控制對(duì)象和控制要求相關(guān),軟件控制程序應(yīng)根據(jù)機(jī)械手控制目標(biāo)、控制功能和控制過(guò)程要求編制。所研究的柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)由單片機(jī)、控制器和氣壓系統(tǒng)三部分組成?？傮w控制思想是由單片機(jī)及控制器構(gòu)成控制系統(tǒng),通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)邏輯組合實(shí)現(xiàn)動(dòng)作模式的選擇,通過(guò)對(duì)比例壓力閥組的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械手操作動(dòng)作的程度和過(guò)程控制。手指的夾持能力決定了機(jī)械手的夾持能力,為此本章重點(diǎn)研究柔性關(guān)節(jié)及手指的彎曲夾持驅(qū)動(dòng)能力,以及機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方法。2.1抓取目標(biāo)與要求手指位置控制：接近——接觸——抓緊（并移動(dòng)）——預(yù)松開(kāi)——還原；抓取速度：0.1-1s/動(dòng)作；抓取力：與物體重量匹配（單指正壓力0-3.5N）。2.1.1手指正屈抓取物體機(jī)械手的掌心基盤(pán)外形為八面體結(jié)構(gòu)(圖2.1),其中五個(gè)面安裝了機(jī)械手指,手腕將安裝在上面?？紤]到手指的直徑和安裝尺寸,手掌基盤(pán)直徑為112毫米。中指位于中心線上,拇指與無(wú)名指、食指與小拇指相對(duì),并沿中心線對(duì)稱分布,四指互成90。,可保證抓取的穩(wěn)定性。柔性機(jī)械手剛度不高,為使其輕量化,掌心盤(pán)和手指楔形盤(pán)等元件應(yīng)選用鋁鎂合金、高強(qiáng)度塑料等輕質(zhì)材料。該柔性機(jī)械手共有巧個(gè)關(guān)節(jié),最多45個(gè)自由度。在實(shí)際應(yīng)用中,每個(gè)關(guān)節(jié)或手指可單獨(dú)控制,也可分別控制。如圖2.1所示，為雙拇指機(jī)械手結(jié)構(gòu)。圖2.1雙拇指機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)系（1）球形物體1）指尖點(diǎn)接觸抓取（重量0-1kg，直徑0-320mm；）4-5個(gè)手指同時(shí)正彎，1個(gè)變量，10個(gè)開(kāi)關(guān)量。每個(gè)手指1個(gè)接觸點(diǎn)。2）手指抱緊抓握（重量0-1kg，直徑120-200mm）5個(gè)手指同時(shí)正彎，1個(gè)變量，10個(gè)開(kāi)關(guān)量。五指的每個(gè)手指接觸點(diǎn)大于2個(gè)。利用該方法，也可對(duì)柱狀物體進(jìn)行抓握（圖）（2)長(zhǎng)方形物體（重量0-1公斤，尺寸16mm*20mm-300*320）對(duì)稱的四指同時(shí)正彎，先接觸的兩指暫停，另兩指接觸后，四指再同時(shí)加力到能抓緊程度。2個(gè)自由度（變量），開(kāi)關(guān)量8個(gè)。每個(gè)手指1個(gè)接觸點(diǎn)。（3)三角形（重量0-1kg；最大邊長(zhǎng)小于320mm）利用1、3、5指抓取，先接觸的停止，三指全接觸后一起加壓夾緊。三個(gè)變量，6個(gè)開(kāi)關(guān)量。（4)小型物體或試探情況（捏）利用1、4或2、5兩個(gè)手指正屈，捏住物體。需控制1個(gè)變量，4個(gè)開(kāi)關(guān)量。（5)對(duì)于異型物體（五指適應(yīng)性抓?。┳疃嘈杩刂?個(gè)變量，20個(gè)開(kāi)關(guān)量，另有25個(gè)機(jī)動(dòng)自由度。2.1.2手指外展內(nèi)收夾持物體對(duì)于薄板物體（重量0-0.5kg；厚度0-200mm），基本方法是利用手指關(guān)節(jié)內(nèi)收和外擺功能，根據(jù)夾持要求控制關(guān)節(jié)的壓力實(shí)現(xiàn)。若薄板物體較小或較輕，可采用兩指夾持；反之可采用4指夾持。1個(gè)自由度，20個(gè)開(kāi)關(guān)量。1）兩指夾持拇指和食指夾持法：夾持幅度大，適合厚度較大物體。食指與中指夾持法：夾持幅度較小，適合厚度小，夾持力大情況2）四指夾持利用拇指和食指，無(wú)名指和小指形成兩對(duì)配合，夾持物體。適合于較長(zhǎng)薄板或圓柱物體的夾持。2.2.3彎擺復(fù)合實(shí)現(xiàn)操作1）正握柱狀物體先通過(guò)外展和內(nèi)收的橫擺，使手指與柱狀物體軸心垂直，然后正屈握緊。2）捻動(dòng)功能（3指）三個(gè)手指先正屈接觸，然后不同手指進(jìn)行外展或內(nèi)收，形成相對(duì)搓動(dòng)操作。3）旋擰功能（3個(gè)自由度）運(yùn)動(dòng)原理，四指足夠，但為避免運(yùn)動(dòng)干涉和簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，中指也一起同步外擺和內(nèi)收動(dòng)作。為避免被操作物體受力不均而失衡，中指可虛擺不夾緊。掌關(guān)節(jié)——根據(jù)旋擰物體的直徑，通過(guò)伸屈調(diào)整操作運(yùn)動(dòng)的基圓，伸屈的范圍將決定可進(jìn)行旋擰物體的直徑范圍。近關(guān)節(jié)——外展和內(nèi)收，完成旋擰驅(qū)動(dòng)和返回，將決定每一循環(huán)完成旋擰的工作角度。遠(yuǎn)關(guān)節(jié)——調(diào)整伸屈，完成夾緊和松開(kāi)，將決定旋擰力矩。五指同步控制，可實(shí)現(xiàn)指尖協(xié)調(diào)一致按照橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，完成夾緊——驅(qū)動(dòng)——松開(kāi)——返回的周期動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)物體的旋緊和擰松要求?？刂浦讣鈾E圓軌跡的方向，可實(shí)現(xiàn)旋緊和擰松的轉(zhuǎn)換。2.2柔性關(guān)節(jié)的控制方法柔性關(guān)節(jié)的控制是機(jī)械手控制的基礎(chǔ)，其控制方法主要是通過(guò)氣體壓力控制關(guān)節(jié)中人工肌肉的變形方向、程度和變形速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)位置和運(yùn)動(dòng)速度控制。2.2.1柔性關(guān)節(jié)氣壓控制原理通過(guò)實(shí)驗(yàn)已確定，完成最大程度的關(guān)節(jié)伸長(zhǎng)或彎曲動(dòng)作所需最短時(shí)間，為28/420秒。因此，可確定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的最大頻率為420/28赫茲。如圖2.2所示，關(guān)節(jié)中四條人工肌肉工作狀態(tài)由四個(gè)兩位三通電磁換向閥決定。當(dāng)電磁換向閥不通電時(shí)，人工肌肉內(nèi)腔壓力為零，處于自由狀態(tài)。1人工肌肉2兩位三通電磁閥3、壓力傳感器4比例閥5氣源調(diào)節(jié)裝置6氣源圖2.2關(guān)節(jié)氣壓控制系統(tǒng)圖2.3關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形態(tài)2.2.2關(guān)節(jié)位置控制關(guān)節(jié)的位姿控制是機(jī)械手抓取控制的基礎(chǔ)，直接決定了手指位置控制的精度和穩(wěn)定性，氣動(dòng)柔性關(guān)節(jié)的位姿有正屈、反伸、外展、內(nèi)收和軸向伸長(zhǎng)五種動(dòng)作模式。表2-1關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式對(duì)電磁鐵及比例閥動(dòng)作要求關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形態(tài)電磁閥通電狀態(tài)比例壓力閥1DT2DT3DT4DT正屈++0-0.35MPa反伸++0-0.35MPa外展++0-0.35MPa內(nèi)收++0-0.35MPa軸向驅(qū)動(dòng)++++0-0.35MPa關(guān)節(jié)位姿的控制，首先是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形態(tài)的選擇和控制。由表2-1可知，當(dāng)電磁閥1YA和2YA通電，1號(hào)和2號(hào)人工肌肉通入壓力氣體，關(guān)節(jié)將進(jìn)行正屈變形，既關(guān)節(jié)繞X軸正向彎曲。此時(shí)，關(guān)節(jié)變形的程度由比例閥調(diào)整壓力實(shí)現(xiàn)。關(guān)節(jié)的彎曲變形與通入氣體壓力之間存在非線性關(guān)系，若控制關(guān)節(jié)的變形量在一定范圍內(nèi)，其非線性較小。為簡(jiǎn)化控制，在工程誤差允許范圍內(nèi)可進(jìn)行二次擬合處理。根據(jù)上式知(2-1)(2-2)式中，a、b、c、d、e、f為待定系數(shù)，由關(guān)節(jié)幾何和物理參數(shù)決定。2.2.3關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度控制柔性關(guān)節(jié)工作時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度就是關(guān)節(jié)的變形速度，可用關(guān)節(jié)中心軸長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù)和關(guān)節(jié)端面彎曲角度的導(dǎo)數(shù)兩個(gè)變量表征。當(dāng)作為彎曲關(guān)節(jié)使用時(shí)，柔性關(guān)節(jié)存在兩種變形的耦合，涉及和兩個(gè)變量的控制問(wèn)題。從實(shí)際應(yīng)用角度，為簡(jiǎn)化控制通常設(shè)置P3=0，則運(yùn)動(dòng)速度的控制僅取決于氣體壓力P1=P的變化率。由上式可知當(dāng)作為軸向驅(qū)動(dòng)器使用時(shí)，柔性關(guān)節(jié)只有單一的軸向變形，其運(yùn)動(dòng)速度僅用表征。此時(shí)關(guān)節(jié)的控制問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單，由式可知，關(guān)節(jié)軸向變形的速度取決于壓力變化的梯度。既(2-3)(2-4)(2-5)通常情況，關(guān)節(jié)的速度控制是通過(guò)調(diào)整氣壓的變化梯度實(shí)現(xiàn)的（圖2.4）。如何保證速度要求和達(dá)到柔順控制是關(guān)節(jié)控制的關(guān)鍵問(wèn)題。圖2.4氣體壓力控制方式2.2.4關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力控制關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力控制，是通過(guò)氣體壓力調(diào)整和控制實(shí)現(xiàn)的，氣體壓力高驅(qū)動(dòng)力大。根據(jù)驅(qū)動(dòng)情況，驅(qū)動(dòng)力與壓力成一定的非線性關(guān)系，控制式應(yīng)根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)作為軸向驅(qū)動(dòng)器使用時(shí)，關(guān)節(jié)整體軸向驅(qū)動(dòng)力的控制，簡(jiǎn)單的方法是采取氣體壓力控制的開(kāi)環(huán)控制方式。當(dāng)與被驅(qū)動(dòng)的物體接觸后，根據(jù)公式模型，通過(guò)調(diào)整比例閥的壓力增量達(dá)到輸出驅(qū)動(dòng)力的控制目的。若要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的實(shí)時(shí)精確控制，可采用比例調(diào)壓和軸向力傳感器構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)特性（質(zhì)量、和阻尼的影響）關(guān)節(jié)彎曲驅(qū)動(dòng)力的控制，需要采取閉環(huán)控制方式。初步調(diào)整，依靠關(guān)節(jié)中設(shè)置的氣壓傳感器，精確調(diào)整通過(guò)在關(guān)節(jié)與被驅(qū)動(dòng)物體接觸點(diǎn)處設(shè)置力傳感器。2.3五指機(jī)械手氣壓控制系統(tǒng)2.3.1五指機(jī)械手氣壓控制系統(tǒng)原理柔性五指機(jī)械手由16個(gè)柔性關(guān)節(jié)構(gòu)成，其中腕關(guān)節(jié)一個(gè)，指關(guān)節(jié)15個(gè)，共需控制64條人工肌肉。若實(shí)現(xiàn)機(jī)械手全部功能，需控制64個(gè)開(kāi)關(guān)量和16個(gè)數(shù)字量變量，氣壓控制系統(tǒng)將較為復(fù)雜且價(jià)格高。即使是比較靈活和柔性的人類手指關(guān)節(jié)，也不是每一個(gè)關(guān)節(jié)都是獨(dú)立控制的，如遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)一般都與近指關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)。因此機(jī)械手的控制，可根據(jù)功能和動(dòng)作要求對(duì)控制量進(jìn)行必要的串并聯(lián)組合，達(dá)到優(yōu)化氣壓控制系統(tǒng)的目的。具體控制時(shí)，開(kāi)關(guān)量采用兩位三通電磁換向閥進(jìn)行控制，數(shù)字量采用比例壓力閥進(jìn)行控制。圖中人工肌肉編號(hào)為三位數(shù)，其中個(gè)位數(shù)表示關(guān)節(jié)中人工肌肉編號(hào)，十位數(shù)表示手指中關(guān)節(jié)編號(hào)，規(guī)定1表示基關(guān)節(jié)、2近指關(guān)節(jié)、3遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)、w腕關(guān)節(jié)，百位數(shù)表示手指編號(hào)，其中l(wèi)表示拇指、2食指、3中指、4無(wú)名指、5小拇指。換向閥編號(hào)采用兩位數(shù)，其中個(gè)位數(shù)表示關(guān)節(jié)中人工肌肉編號(hào)，十位數(shù)表示手指編號(hào)。該氣壓控制系統(tǒng)共有24個(gè)電磁換向閥和6個(gè)比例閥，可對(duì)機(jī)械手完成抓、夾、彈等12個(gè)動(dòng)作模式進(jìn)行有效控制。其中，每個(gè)手指三個(gè)關(guān)節(jié)編號(hào)相同的人工肌肉采用串聯(lián)方式，由一個(gè)電磁換向閥控制其開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每個(gè)手指的四條氣路并聯(lián)由一個(gè)比例壓力閥進(jìn)行控制，調(diào)整壓力值大小。其控制結(jié)果是每個(gè)手指的三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形態(tài)和程度是一致的。所構(gòu)建的氣壓控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是，整個(gè)機(jī)械手的控制問(wèn)題簡(jiǎn)化為對(duì)類似6個(gè)關(guān)節(jié)的控制，且不影響各關(guān)節(jié)對(duì)物形的適應(yīng)性,能完成柔性機(jī)械手80%以上的功能。氣壓控制系統(tǒng)得到大幅度簡(jiǎn)化，并使手指處控制氣路的連接變得簡(jiǎn)單易行，解決了柔性氣路和手指結(jié)構(gòu)緊湊的問(wèn)題。同時(shí)也簡(jiǎn)化了電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了整體控制系統(tǒng)成本。不足之處在于抓握時(shí)，不能有效地對(duì)手指各關(guān)節(jié)的位姿和驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行獨(dú)立控制，將影響手指不同接觸點(diǎn)的受力分配和均勻性，也難以完成手指獨(dú)立彎擺，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜繞、擰等運(yùn)動(dòng)的能力。圖2.5五指機(jī)械手氣壓控制系統(tǒng)原理2.3.2氣壓控制系統(tǒng)組成氣壓控制系統(tǒng)主要由6個(gè)比例閥和24個(gè)換向閥組成，所用元器件型號(hào)和數(shù)量見(jiàn)表2-2。2.3.3抓取功能控制要求與氣壓系統(tǒng)控制方案電磁閥的功能，是控制機(jī)械手動(dòng)作的方式；按照抓取要求,通過(guò)機(jī)械手控制程序發(fā)出指令,使手指相應(yīng)的電磁換向閥通電(表2-3),實(shí)現(xiàn)所需要的抓取動(dòng)作模式。比例閥的作用,是調(diào)整和控制動(dòng)作的過(guò)程和程度。應(yīng)根據(jù)各手指動(dòng)作位置、速度和夾持力的要求,采取升壓、保持、降壓和回零等策略,實(shí)現(xiàn)動(dòng)作協(xié)調(diào)和完成動(dòng)作要求。表2-3手指抓取功能與電磁換向閥控制動(dòng)作要求動(dòng)作拇指（YA）食指（YA）中指（YA）無(wú)名指（YA）小拇指（YA）1112131421222324313233344142434451525354抓五指╋╋╋╋╋╋╋╋╋╋四指╋╋╋╋╋╋╋╋三指╋╋╋╋╋╋兩指╋╋╋╋單指╋╋表2-4手指動(dòng)作功能與比例壓力閥的調(diào)壓要求動(dòng)作拇指（1BL）食指（2BL）中指（3BL）無(wú)名指（4BL）小拇指（5BL）12341234123412341234抓五指↗→Δ→↗→Δ→↗→Δ→↗→Δ→↗→Δ→四指↗→Δ→↗→Δ→↗→Δ→↗→Δ→三指↗→Δ→↗→Δ→↗→Δ→注：“↗”代表升壓；“↘”代表降壓；“→”表示壓力保持；“Δ”表示繼續(xù)升壓；“0”代表壓力為零。表2-3手指抓取功能與電磁換向閥控制動(dòng)作要求名稱型號(hào)數(shù)量廠家小型斷路器DZ47-6030浙江正泰電器股份有限公司壓力傳感器FSR4004件電磁換向閥4V210-0824亞德客工業(yè)股份有限公司比例閥1TV1050-012N6亞德客工業(yè)股份有限公司氣缸TESTEDSY9391氣管4mm50米山耐斯有限公司氣動(dòng)快插接頭spc4-0130精密減壓閥IR2020-021SMC表2-5為機(jī)械手手腕府、仰、左擺和右擺等四個(gè)姿態(tài)的控制要求。其中,6lYA、62YA、63YA和64YA四個(gè)電磁閥的通電狀態(tài)決定了手腕的姿態(tài)。姿態(tài)的啟、停、加速、減速和位置控制由比例閥(6BL)決定。表2-5手腕運(yùn)動(dòng)功能與氣動(dòng)控制閥的動(dòng)作要求動(dòng)作手腕61YA62YA63YA64YA比例閥(6BL)俯工作╋╋0-0.35Mpa回零仰工作╋╋0-0.35Mpa回零左擺工作╋╋0-0.35Mpa回零右擺工作╋╋0-0.35Mpa回零2.4多指柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)方案比較機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)需要對(duì)機(jī)械手各種動(dòng)作模式下的抓取、夾取等操作任務(wù)的完成實(shí)施有效控制,包括動(dòng)作模式速度和力的控制。方案一：采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)預(yù)定控制量值的大小進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。采用開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，成本低廉。缺點(diǎn)是無(wú)反饋不能構(gòu)成系統(tǒng)回路，不能準(zhǔn)確判斷實(shí)時(shí)控制的壓力，也不易甄別故障點(diǎn)；抗干擾能力下降，適應(yīng)不同的環(huán)境能力差，甚至不能勝任變化的環(huán)境，應(yīng)用范圍在。方案二：采用閉環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)控制壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)實(shí)時(shí)的接觸抓取物時(shí)的壓力大小，來(lái)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)精度高，通過(guò)采集反饋數(shù)據(jù)能更好的適應(yīng)各種環(huán)境，讓機(jī)械手的抓取力度能更精確，還可以通過(guò)得到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上畫(huà)出曲線，對(duì)被抓取物受力分析提供了有力的數(shù)據(jù)支持。缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。方案比較：由于要適應(yīng)不同的抓取環(huán)境，面對(duì)不同的物體要有所不同的改變參數(shù)，并且要系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，所以選擇閉環(huán)控制。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)：其控制方法是對(duì)過(guò)程變量進(jìn)行周期掃描，向操作人員顯示全過(guò)程的信息，并通過(guò)計(jì)算為模擬量調(diào)節(jié)器設(shè)置給定值。優(yōu)點(diǎn)是：在要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中占有優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是：工控機(jī)價(jià)格較高；PLC控制：其控制方法是由電腦或便攜式編程設(shè)備編寫(xiě)程序，稱之為T(mén)型圖，編寫(xiě)好后用專用鏈接線導(dǎo)入PLC，然后接通PLC控制電路，以PLC控制接觸器等控制設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)是：靈活性和可擴(kuò)展性很好。缺點(diǎn)是：PLC適用于中、大型設(shè)備。單片機(jī)控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。直接將它與外部信號(hào)相連，再附加一些配套的集成電路和I/O接口電路。優(yōu)點(diǎn)：適用于小型設(shè)備。缺點(diǎn)：硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)工作量相當(dāng)大，要求設(shè)計(jì)者具有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；通過(guò)比較，結(jié)合本課題的研究指標(biāo)，我采用單片機(jī)控制。2.5本章小結(jié)本章首先介紹了柔性機(jī)械手完成了機(jī)械手氣壓控制原理、手指動(dòng)作控制的選擇和控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)工作以及控制系統(tǒng)方案的確定。第三章柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1.1總體控制方案設(shè)計(jì)由于機(jī)械手在抓取物體時(shí)要控制其抓取動(dòng)作，同時(shí)各手指接觸物體時(shí)要實(shí)時(shí)感知手指的壓力，確保安全合理地抓取目標(biāo)物體，因此，在機(jī)械手中各個(gè)手指相應(yīng)部位設(shè)置壓力傳感器，機(jī)械手的動(dòng)力源為氣體；綜合機(jī)械手要求及輸入模擬量多的特點(diǎn)，其控制系統(tǒng)采用飛思卡爾芯片作為核心控制，外部傳感器信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，并利用CPU實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)，同時(shí)為方便控制，系統(tǒng)具有鍵盤(pán)輸入、顯示及報(bào)警等功能。系統(tǒng)中氣壓傳感器和指尖壓力傳感器感知壓力變化并轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳感器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)提供給控制中心，CPU得到橡膠管氣壓和手指壓力相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型控制橡膠管氣壓的大小，相關(guān)的數(shù)據(jù)值可以在下位機(jī)上顯示，對(duì)于不同的抓取對(duì)象，設(shè)定參數(shù)有所不同，可以用鍵盤(pán)修改內(nèi)部參數(shù)，系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)圖如圖圖3.1控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖3.2.2控制最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)需控制24個(gè)電磁閥、6個(gè)比例閥、5個(gè)壓力傳感器還有報(bào)警模塊，根據(jù)系統(tǒng)所需端口數(shù)量，核心控制選擇飛思卡爾芯片KinetisK60系列MCU。Freescale公司KinetisK60系列MCU,工作電壓1.71-3.6V,閃存的寫(xiě)電壓為1.71-3.6V，采用ARMCortex-M4內(nèi)核,其性能可達(dá)到1.25DhrystoneMIPS/MHz。該系列提供高達(dá)180MHz的性能和IEEE1588以太網(wǎng)MAC，用于工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中的精確的、實(shí)時(shí)的時(shí)間控制。硬件加密支持多個(gè)算法，以最小的CPU負(fù)載提供快速、安全的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。系統(tǒng)安全模塊包括安全密鑰存儲(chǔ)和硬件篡改檢測(cè)，提供用于電壓、頻率、溫度和外部傳感（用于物理攻擊檢測(cè)）的傳感器。KinetisK60MCU主要用在工業(yè)如安全照相機(jī)，建筑物自動(dòng)化控制和電梯控制屏以及醫(yī)療電子如心電圖(ECG)，生命信息監(jiān)測(cè)儀,運(yùn)程醫(yī)療保健系統(tǒng)，心率監(jiān)視器，除顫儀，麻醉監(jiān)視器，呼吸機(jī)等。本文精選了KinetisK60原理、教程、例程、設(shè)計(jì)案例，以及基于KinetisK60的流行板卡，集結(jié)了國(guó)內(nèi)外官方資料和資深工程師的經(jīng)驗(yàn)，是KinetisK60MCU的初學(xué)者必備寶典。飛思卡爾芯片主要功能模塊包括：1）內(nèi)部存儲(chǔ)器2）2個(gè)異步串口通訊SCI3）1個(gè)串行外設(shè)接口SPI4）MSCAN模塊5）1個(gè)8通道輸入/輸出比較定時(shí)器模塊TIM6）周期中斷定時(shí)器模塊PIT7）16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC8）1個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊PWM圖3.2飛思卡爾最小系統(tǒng)實(shí)物圖S12XS128PWM模塊介紹:PWM調(diào)制波有8個(gè)輸出通道，每一個(gè)輸出通道都可以獨(dú)立的進(jìn)行輸出。每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器（計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)），一個(gè)周期控制寄存器和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源。每一個(gè)PWM輸出通道都能調(diào)制出占空比從0—100%變化的波形。PWM的主要特點(diǎn)有：（1）它有8個(gè)獨(dú)立的輸出通道，并且通過(guò)編程可控制其輸出波形的周期。（2）每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器。（3）每一個(gè)通道的PWM輸出使能都可以由編程來(lái)控制。（4）PWM輸出波形的翻轉(zhuǎn)控制可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。（5）周期和脈寬可以被雙緩沖。當(dāng)通道關(guān)閉或PWM計(jì)數(shù)器為0時(shí)，改變周期和脈寬才起作用。（6）6、8字節(jié)或16字節(jié)的通道協(xié)議。（7）有4個(gè)時(shí)鐘源可供選擇（A、SA、B、SB），他們提供了一個(gè)寬范圍的時(shí)鐘頻率。（8）通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)希望的時(shí)鐘周期。（9）具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能。（10）每一個(gè)通道都可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)左對(duì)齊輸出還是居中對(duì)齊輸出。圖3.3飛思卡爾MC9S12XS128最小系統(tǒng)電路圖晶振模塊單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。晶振電路如圖3.4所示圖3.4晶振電路圖復(fù)位模塊復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)需要在上電之后給其一個(gè)復(fù)位信號(hào)才能正常工作，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)和調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)也往往要對(duì)它進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，而且當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)供電電壓過(guò)低時(shí)，程序的運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)非正常的情況，要求我們?cè)诘蛪簳r(shí)也必須對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，這樣我們必須為它設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)位電路，如圖3.5所示。圖3.5復(fù)位電路原理圖3.2.3壓力傳感器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)要求機(jī)械手完成抓取規(guī)則物體的動(dòng)作。以氣壓作為動(dòng)力來(lái)源，控制氣壓的大小可以控制機(jī)械手位姿，從而達(dá)到抓取物體的目的。根據(jù)關(guān)節(jié)的彎曲原理，首先給整個(gè)機(jī)械手所有柔性關(guān)節(jié)通入0.5MPa的預(yù)壓。繼續(xù)增加橡膠管1、2內(nèi)的壓力（P1=1：1），手指彎曲。根據(jù)獲得的各指節(jié)末端的位置，可通過(guò)控制氣壓來(lái)控制機(jī)械手各指節(jié)的位置。由于采用了壓力傳感器，可時(shí)時(shí)采集到指節(jié)壓力的變化。當(dāng)有壓力反饋值時(shí)（F1=0），說(shuō)明已接觸到物體。當(dāng)壓力反饋值達(dá)到設(shè)定值時(shí)（），物體被抓起。壓力要小于可輸入最大值。抓取物體動(dòng)作完成，即給整體卸壓，機(jī)械手恢復(fù)到初始狀態(tài)。對(duì)于不同質(zhì)量和材質(zhì)的抓取對(duì)象，抓取力度有所變化。每個(gè)指尖上的壓力傳感器，來(lái)感知抓取壓力的大小，通過(guò)反饋數(shù)值與設(shè)定值比較，來(lái)決定是否增加橡膠管中的氣壓；橡膠管中的氣壓傳感器來(lái)獲取氣壓信號(hào)，與指尖的壓力傳感器相配合構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)[14]，如下圖3.6所示。圖3.6壓力控制原理框圖機(jī)械手的每個(gè)手指上設(shè)置有壓力傳感器，壓力傳感器采集的抓取壓力控制信號(hào)進(jìn)行處理后為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，信號(hào)送入A/D口，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入主控芯片。圖3.7FSR400壓力感應(yīng)電阻傳感器機(jī)械手指壓力傳感器選用FSR400壓力感應(yīng)電阻傳感器件，其實(shí)物如圖3.7所示。當(dāng)感應(yīng)面受到壓力時(shí)抗阻會(huì)相對(duì)下降，從而得到不同壓力數(shù)據(jù)。其傳感器特性：最大流率：連環(huán)電子，感應(yīng)區(qū)域：0.2圈；輸出信號(hào):被動(dòng)式可變電阻；壓力感應(yīng)范圍:0到10kg；壽命:大于1000萬(wàn)次壓力感應(yīng)。根據(jù)FSR400壓力感應(yīng)電阻傳感器件的動(dòng)作特性曲線，將其壓力信號(hào)通過(guò)電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，滿足控制要求，避免了高精度觸覺(jué)傳感器電路復(fù)雜等問(wèn)題，傳感器感應(yīng)壓力與電阻變化曲線如圖3.8所示。圖3.8FSR400傳感器感應(yīng)壓力與電阻變化曲線將壓力傳感器的壓力信號(hào)通過(guò)外接電源并配置適合的電阻，從而將實(shí)時(shí)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)機(jī)械手的控制要求，其中配置電阻約為220歐姆：其設(shè)計(jì)電路如圖3.9所示。圖3.9壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換電路該傳感器厚度為0.208毫米，可彎曲和耐用，作為接觸測(cè)力傳感器使用較為合適。其外部材料是聚酯，傳導(dǎo)材料為銀，感測(cè)區(qū)內(nèi)部是使用電阻墨水。壽命1百萬(wàn)次，線性誤差小于5%，反應(yīng)時(shí)間小于5微秒；工作溫度-9~60度；最大壓力110N。工作中，壓力傳感器將其壓力信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，滿足控制要求，其信號(hào)調(diào)理電路如圖3.10所示。圖3.10傳感器信號(hào)調(diào)理電路圖3.11力傳感器位置從指端觀察，關(guān)節(jié)外貼片式測(cè)力傳感器分布如圖3.11所示。根據(jù)手指抓取物體時(shí)，接觸點(diǎn)受力發(fā)饋控制的需要，機(jī)械手共設(shè)置貼片式測(cè)力傳感器11個(gè)。其中，拇指上2個(gè)為13a和13b；食指上3個(gè)為23a、23b和23c；中指上2個(gè)為33a和33c；無(wú)名指上1個(gè)為43a；小拇指上2個(gè)為53a和53c。力傳感器用兩位數(shù)字編號(hào)，分別表示傳感器所在的手指和關(guān)節(jié)編號(hào)。3.2.4運(yùn)算放大器的選擇及接口電路設(shè)計(jì)壓力傳感器的輸出信號(hào)較弱，需要運(yùn)算放大器將壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)放大后處理，針對(duì)壓力傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，LMV358是通用型低電壓，軌到軌輸出放大器，選用圖3.10設(shè)計(jì)放大電路。LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電壓電源無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組、音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合內(nèi)部頻率補(bǔ)償。LM358特性：直流電壓增益高(約100dB)，單位增益頻帶寬(約1MHz)，電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3—30V)，雙電源(±1.5一±15V)，低功耗電流，適合于電池供電,低輸入偏流，低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，共模輸入電壓范圍寬，包括接地差模輸入電壓范圍，寬等于電源電壓范圍,輸出電壓擺幅大（0至Vcc-1.5V)。LM358主要參數(shù)：輸入偏置電流45nA、輸入失調(diào)電流50nA、輸入失調(diào)電壓2.9mV、輸入共模電壓最大值VCC1.5V、共模抑制比80dB、電源抑制比100dB。圖3.12放大電路原理圖從電橋獲取的差分信號(hào)通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過(guò)調(diào)節(jié)R3可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。放大電路采用LM358集成運(yùn)算放大器，是為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)高帶來(lái)的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，如圖3.12所示，前一級(jí)約為10倍，后一級(jí)約為3倍。溫度在0-100度變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓Av對(duì)應(yīng)升高。3.2.5濾波的電路設(shè)計(jì)在實(shí)際的電子系統(tǒng)中，輸入信號(hào)往往是含有多種頻率成分的復(fù)雜信號(hào)，可能還會(huì)混入各種噪聲、干擾及其他無(wú)用頻率的性號(hào)，因此需要設(shè)法將有用頻率信號(hào)挑選出來(lái)，將無(wú)用信號(hào)頻率抑制掉。完成此任務(wù)需要具有選頻功能的電路。將信號(hào)的頻率具有選擇性的電路稱為濾波器，他能是特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)順利通過(guò)，而阻止其他頻率信號(hào)通過(guò)，按照濾波器的工作頻率，濾波器可分為低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）等。如果濾波器含有有源元件（晶體管、集成運(yùn)算放大器等），側(cè)稱為有源濾波。本實(shí)驗(yàn)就是利用低通濾波器的原理，設(shè)計(jì)電路，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的篩選和截止，將無(wú)用的信號(hào)抑制掉。濾波電路是一種能使有用信號(hào)通過(guò)而抑制無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置。工程上常用它來(lái)做處理信號(hào)、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。而有源低通濾波器是允許低頻信號(hào)通過(guò)而抑制高頻信號(hào)的元件。它運(yùn)用面積非常的廣泛，常被用作信號(hào)處理器。

本文以有源低通濾波器設(shè)計(jì)為例介紹了一種電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)能使某些性能要求比較適當(dāng)調(diào)試比較簡(jiǎn)單的電路,使其降低元器件精度要求、簡(jiǎn)化調(diào)試、提高性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：采用計(jì)算法設(shè)計(jì)有源低通二階濾波器，其電路從集成運(yùn)放輸出到同相輸入間引入一個(gè)負(fù)反饋，該反饋使改濾波器只允許低頻端的信號(hào)通過(guò)，實(shí)現(xiàn)低通濾波。用查表法設(shè)計(jì)，已知電路響應(yīng)特性、形式、類型及階數(shù)、濾波器性能參數(shù)，再根據(jù)截止頻率，選定電容標(biāo)稱值，查表求出相應(yīng)電容值及電阻值，通過(guò)計(jì)算得到設(shè)計(jì)值以確定電路參數(shù)。圖3.13濾波電路原理圖選擇運(yùn)放：為了減少負(fù)載對(duì)濾波電路的負(fù)載效益，同時(shí)便于調(diào)整，我選用具有JFET作輸入級(jí)的低調(diào)，高輸入阻抗運(yùn)放的LF412。電路原理圖如3.13，要求截止頻率為100HZ，為了波特圖能夠更好的平穩(wěn)，我選擇Q值為0.707，選擇電容器的容量，計(jì)算我選擇C1=C3=0.01,則根據(jù)根式得:R1=R2=16K(3-1)低通濾波傳遞函數(shù)為:(3-2)3.2.6A/D的選擇及接口電路設(shè)計(jì)為了記錄同一時(shí)刻機(jī)械手各手指的動(dòng)態(tài)參數(shù)，以評(píng)價(jià)、分析和控制其性能，需要進(jìn)行模擬量的采樣，并將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、光耦進(jìn)入CPU。具體方法是選用采樣—保持電路實(shí)現(xiàn)同步保持。信號(hào)采集過(guò)程如圖3.14所示。圖3.14信號(hào)采集A/D采樣電路選用12位11路串行TLC2543，每個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間為10，I/O時(shí)鐘最高能達(dá)到3，完成11路模擬量的采集，采樣保持電路選擇LF398采樣保持器，其主要技術(shù)指標(biāo)有：5～18V工作電壓，采樣時(shí)間。壓力傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波和隔離處理后，CPU想要采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)就需要將模擬量信號(hào)準(zhǔn)換為數(shù)字量信號(hào)，這就需要A/D轉(zhuǎn)換電路。TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單片機(jī)I/O資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。實(shí)物圖如圖所示圖3.15TLC2543芯片圖3.16TLC2543A/D轉(zhuǎn)換原理圖3.2.7比例閥的選擇及接口電路設(shè)計(jì)氣動(dòng)比例調(diào)壓閥選用ITV1050-012型，可調(diào)節(jié)壓力范圍為0.005～0.9MPa。其工作電壓直流24V，輸入調(diào)節(jié)電流4-20mA。按著設(shè)定，由控制器輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后通過(guò)氣動(dòng)比例閥控制機(jī)械手所需的壓力，控制器同時(shí)控制五個(gè)手指及手腕的兩位三通電磁閥。兩位三通電磁閥以比例閥提供的壓力,由控制器發(fā)出信號(hào)經(jīng)隔離和驅(qū)動(dòng)電路控制導(dǎo)通關(guān)斷,按工作任務(wù)順序完成控制任務(wù)。氣動(dòng)比例調(diào)壓閥系統(tǒng)組成如圖3.17所示,由先導(dǎo)式調(diào)壓閥,二位二通高速開(kāi)關(guān)閥,氣壓傳感器,控制電路等組成。其中控制電路以FeeescaleMC9S12微控制器為核心,包括壓力信號(hào)的放大、開(kāi)關(guān)閥電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電路、PC機(jī)通訊、按鍵控制等組成。比例閥工作原理：圖3.17氣動(dòng)調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，由鍵盤(pán)輸入調(diào)壓閥調(diào)整壓力，壓力傳感器檢測(cè)調(diào)壓閥出口壓力，當(dāng)檢測(cè)壓力小于調(diào)整壓力時(shí)，高速開(kāi)關(guān)閥中進(jìn)氣閥打開(kāi)，排氣閥關(guān)閉，向調(diào)壓閥先導(dǎo)腔供氣，調(diào)壓閥主閥芯下移，出口壓力升高。同時(shí)，壓力值由傳感器檢測(cè)反饋給控制電路，控制器以檢測(cè)值與預(yù)定值的偏差量e為基礎(chǔ)，通過(guò)PID算法控制PWM脈沖寬度,根據(jù)占空比驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥和排氣閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)先導(dǎo)腔壓力的控制。直到偏差量e為零時(shí)，進(jìn)氣閥、排氣閥均關(guān)閉，調(diào)壓閥出口壓力穩(wěn)定在預(yù)定值，工作流程如圖3.11所示。圖3.18工作流程圖PID控制算法：由于氣動(dòng)系統(tǒng)非線性因素較多，不易建立精確的數(shù)學(xué)模型，本系統(tǒng)采用增量式數(shù)字PID算法，避免了這一麻煩，參數(shù)整定選定歸一法參數(shù)整定，便于工程調(diào)試。e(KT)=-x(KT)(3-3)u(KT)=kp×{2.45×e(KT)-3.5×e(3-4)[(K-1)T]+1.25×e[(K-2)T]}(3-5)式中：e(KT)-偏差量；Input)-輸入信號(hào)量；x(KT)-反饋量；u(KT)-控制器增量；kp-整定參數(shù)。PWM驅(qū)動(dòng)：系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥(進(jìn)氣閥和排氣閥)的開(kāi)閉時(shí)間,控制先導(dǎo)腔壓力。進(jìn)氣閥開(kāi)啟時(shí)間為T(mén)1，排氣閥開(kāi)啟時(shí)間為T(mén)2=T-T1，PWM采用異步驅(qū)動(dòng)方式,即進(jìn)氣閥和排氣閥不同時(shí)工作。當(dāng)u(KT)>0時(shí)，對(duì)先導(dǎo)腔加壓控制，出口壓力升高；當(dāng)u(KT)<0時(shí)，對(duì)先導(dǎo)腔減壓控制，出口壓力降低；u(KT)=0時(shí)，進(jìn)氣閥與排氣閥均關(guān)閉，出口壓力穩(wěn)定。性能試驗(yàn)：經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和分析，系統(tǒng)采樣頻率選定120Hz，取8個(gè)采樣值軟件遞推平均濾波，氣源壓力0.2MPa，設(shè)定調(diào)整壓力0.35MPa，通過(guò)出口壓力測(cè)量，得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。3.2.8D/A的選擇及接口電路設(shè)計(jì)比例閥由電流控制，輸入電流需經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后，在經(jīng)過(guò)提升電路后進(jìn)入比例閥，結(jié)合本設(shè)計(jì)我選用TLC5618芯片實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，TLC5618是帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的雙路12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過(guò)CMOS兼容的3線串行總線，可對(duì)TLC5618實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。器件接收的用于編程的16位字的前4位產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳送模式，后12位產(chǎn)生模擬輸出。輸出電壓為基準(zhǔn)電壓的兩倍，且單調(diào)變化。數(shù)字輸入端帶有斯密特觸發(fā)器，具有較高的噪聲抑制能力。數(shù)字通信協(xié)議包括SPITM、QSPITM和MICROWIRETM標(biāo)準(zhǔn)。TLC5618在5V電源下工作，功耗極低(慢速方式3mW,快速方式8mW)，并具有上電復(fù)位功能?？捎糜谝苿?dòng)電話、測(cè)試儀表、自動(dòng)測(cè)試控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。TLC5618的特點(diǎn)：1）5LSB的建立時(shí)間為2.5ms或12.5ms2）8引腳封裝內(nèi)有兩路12位CMOS電壓輸出DAC、DACA和DACB同時(shí)更新3）高阻抗基準(zhǔn)輸入,范圍1～VDD-1.1V4）電壓輸出范圍是基準(zhǔn)輸入電壓的2倍5）1.21MHz的輸入數(shù)據(jù)更新速率圖3.19TLC5618芯片控制系統(tǒng)將運(yùn)行各個(gè)部分的狀態(tài)量采集到控制核心，根據(jù)控制要求輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。選擇雙通道12位串行D/ATLC5618，能夠輸出二倍基準(zhǔn)電壓的電壓信號(hào)，通過(guò)CMOS兼容的3線串行總線實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。由于TLV5618的參考電壓范圍為V，典型值為V，因此基準(zhǔn)源REF192輸出的V電壓要通過(guò)精密電阻分壓得到V，再接TLV5618，信號(hào)放大后將其輸出0-5V電壓轉(zhuǎn)換為4-20mA控制比例閥。圖3.20TLC5618D/A轉(zhuǎn)換原理圖3.2.9光耦隔離的設(shè)計(jì)機(jī)械手動(dòng)作需要CPU控制電磁閥動(dòng)作，由于CPU和電磁閥的電平不匹配，故采用由于光電耦合器電路，隔離、驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，且提高信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，又使其不受信號(hào)源是否接地的限制。TLP521：光耦合器亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。TLP521的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。作反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化”來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋,因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)反饋。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計(jì)外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對(duì)運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng)，不利于電路的穩(wěn)定工作。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，原邊電流If增大，輸出電流Ic增大，由于Ic已經(jīng)超過(guò)了電壓誤差放大器的電流輸出能力，com腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減?。环粗?dāng)輸出電壓下降時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類似。圖3.21光電耦合器實(shí)物圖圖3.22光電耦合器原理圖3.2顯示器的設(shè)計(jì)為了顯示手指的狀態(tài)和比例閥的大小，根據(jù)設(shè)計(jì)要求我選用顯示器12864，文檔帶中文字庫(kù)的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。顯示器基本特性：低電源電壓（VDD：+3.0--+5.5V）、顯示分辨率：128×64點(diǎn)、內(nèi)置漢字字庫(kù)，提供8192個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字(簡(jiǎn)繁體可選)、內(nèi)置128個(gè)16×8點(diǎn)陣字符、2MHZ時(shí)鐘頻率。顯示方式：STN、半透、正顯，驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY、1/5BIAS視角方向：6點(diǎn)，背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10，通訊方式：串行、并口可選，內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需外加負(fù)壓、無(wú)需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，工作溫度：0℃—+55℃

,存儲(chǔ)溫度：-20℃—+60℃。3.3電源模塊的設(shè)計(jì)3.3.1DC24V/5V電源設(shè)計(jì)中間繼電器的供電需要DC24V，AD/DA轉(zhuǎn)換，顯示器、CPU、光耦需要DC5V，直流24V和5V需要自行設(shè)計(jì)，下面介紹直流24V電源的設(shè)計(jì)。直流電的獲得除了使用直流發(fā)電機(jī)直接產(chǎn)生直流電外，其使用最為廣泛的是把交流電變?yōu)橹绷鳎床捎镁哂袉蜗驅(qū)щ娦缘陌雽?dǎo)體器件將交流電變換為直流電。具體過(guò)程可分為變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四個(gè)部分。各環(huán)節(jié)的功能如下：變壓。將電網(wǎng)提供的交流電源（220V或是380V）變?yōu)榉险魉枰慕涣麟妷?；整流。利用整流元件（如整流二極管、晶閘管等）具有的單向?qū)щ娦阅埽瑢⒔涣麟妷鹤優(yōu)閱蜗蛎}動(dòng)直流電壓。單向脈動(dòng)直流電壓是非正弦周期波形，其中含有直流成分和各種諧波的交流成分；濾波。利用電容或電感元件的頻率特性，濾去單向脈動(dòng)直流電壓中的交流成分，保留直流成分，減小整流電壓的脈動(dòng)程度；穩(wěn)壓。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，穩(wěn)壓電路的調(diào)節(jié)作用能夠使輸出電壓穩(wěn)定。對(duì)直流電壓穩(wěn)定程度要求較低的電路中，穩(wěn)定電路可以省略。整流電路的任務(wù)是將交流電換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的核心元件。整流電路按輸入電源相數(shù)可分為單相整流電路和三相整流電路，按輸出波形又可分為半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路等。目前廣泛使用的是橋式整流電路。由于單相半波整流的缺點(diǎn)是只利用了電源電壓的半個(gè)周期，同時(shí)整流電壓的脈動(dòng)較大。為了克服這些缺點(diǎn)，常采用全波整流電路，其中最常用的是單相橋式整流電路。根據(jù)整流要求，選擇單相橋式整流電路可以很好地滿足要求，所以使用這種電路來(lái)進(jìn)行整流，電路如圖3.23所示。已知變壓器的輸出電壓為36V，輸出電流為1A，進(jìn)行計(jì)算可知：變壓器副邊有效值為：（3-5）整流二極管承受的最高反向電壓為：（3-6）流過(guò)整流二極管的平均電流為（3-7）因此，可以選用4只型號(hào)為2CZ11A的整流二極管，其最大整流為1A，最高反向工作電壓為100V。圖3.23DC24V單相橋式整流電路圖3.24DC5V單相橋式整流電路3.3.2正負(fù)12V電源設(shè)計(jì)由于放大器LM358需要正負(fù)12V供電，設(shè)計(jì)電源我采用LM7812和LM7912穩(wěn)壓電路。三端穩(wěn)壓集成電路LM7812。電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的LM78××系列和負(fù)電壓輸出的LM79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用LM78/LM79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的LM78或LM9后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，下面是用這兩種穩(wěn)壓IC制作的正負(fù)穩(wěn)壓電源如圖3.25。圖3.2512V穩(wěn)壓電路3.4按鍵模塊本設(shè)計(jì)需要功能鍵和啟動(dòng)開(kāi)關(guān)鍵，為方便操作人員發(fā)出控制指令，操控機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，選用按鍵作方便操作人員向CPU輸入信息。根據(jù)系統(tǒng)要求我們選用三個(gè)按鍵控制設(shè)計(jì)。按鍵電路如圖3.26所示：圖3.26按鍵電路原理圖3.5報(bào)警機(jī)械手處于非正常狀態(tài)或是出現(xiàn)故障時(shí)，需要及時(shí)向操作者發(fā)出警報(bào)或是警示。在該抓取過(guò)程中。當(dāng)安裝在電動(dòng)機(jī)控制電路中的繼電器被觸發(fā)時(shí)、安裝在機(jī)械手上的限位開(kāi)關(guān)被觸發(fā)時(shí)或是壓力傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)大于極限值是發(fā)出報(bào)警和警示。報(bào)警使用的是蜂鳴器，警示使用的指示燈。具體的程序性如圖3.27所示。圖3.27報(bào)警電路原理圖3.6本章小結(jié)本章根據(jù)柔性機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)進(jìn)行硬件的選擇，以及根據(jù)系統(tǒng)的硬件來(lái)進(jìn)行接口電路的設(shè)計(jì)工作。其中包括核心CPU的選擇其接線電路；外部硬件接線圖；傳感器、比例閥、顯示器等的選擇以及他們的接口電路以及電源的設(shè)計(jì)。

第四章柔性機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)的軟件流程4.1.1下位機(jī)主程序流程按機(jī)械手的各種工作狀態(tài)，下位機(jī)軟件由主程序和相應(yīng)的子程序組成，其主程序流程如圖4.1所示。圖4.1機(jī)械手程序流程4.1.2機(jī)械手抓取操作子程序流程針對(duì)機(jī)械手各種抓取模式，相應(yīng)的控制子程序不同。為五指正屈抓取軟件控制流程。兩指橫擺夾持、利用五指反伸抓取盤(pán)類物體等子程序流程與此圖類似。圖4.2五指正屈抓取軟件控制流程4.3本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了控制系統(tǒng)程序的分析與編制，其中包括傳感器、顯示器、控制部分、主板部分、其他輔助部分的程序編制和控制部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中壓力傳感器部分進(jìn)行了數(shù)據(jù)讀取程序的編寫(xiě)；12864顯示器部分主要進(jìn)行的是編程；控制部分，根據(jù)機(jī)械手比例閥、電磁閥進(jìn)行情況分類，分別進(jìn)行程序編制；A/D、D/A分別進(jìn)行了程序編制和電路的設(shè)計(jì)；輔助部分是完成機(jī)械手保護(hù)程序、指示燈、報(bào)警警示程序和復(fù)位程序的編制；手指部分完成了控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。

柔性機(jī)械手控制電路仿真5.1五指柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)位姿仿真5.1.1傳感器電路的仿真放大器前面是個(gè)壓力傳感器，相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，通過(guò)改變前端可變電阻的電阻值，進(jìn)而改變末端輸出電壓值的大小。5.1.2繼電器仿真電路在7407前端加個(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)是高電平，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電路接地為低電平，通過(guò)改變7407前端輸入的高低電平，進(jìn)而改變繼電器的吸合通斷。5.2本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了硬件手指控制部分程序的仿真，利用Mat1ab軟件,對(duì)各種抓取功能和過(guò)程進(jìn)行了仿真。對(duì)手指的正屈和反伸功能,進(jìn)行了抓取過(guò)程仿真計(jì)算,得到了手指軌跡和機(jī)械手極限位置的三維位姿圖。利用仿真手段,對(duì)手指外展和內(nèi)收功能進(jìn)行了研究,驗(yàn)證了三種夾持功能實(shí)現(xiàn)的效果。結(jié)果表明,所建立的位姿模型正確可信。

總結(jié)本論文在詳細(xì)了解課題研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，通過(guò)同國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的比較與分析，提出了自己的解決方案。由于本課題只做控制部分，所以在論文中著重的介紹控制系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。文中介紹了控制系統(tǒng)的控制方案、主要硬件的選擇、硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件的編制以及程序的仿真。在控制方案的選擇中，通過(guò)對(duì)不同方案的比較和分析，從中選擇出最優(yōu)的控制方案。在對(duì)硬件的選擇過(guò)程和外圍電路的設(shè)計(jì)中，主要對(duì)一些關(guān)鍵的器件進(jìn)行選