机械手的设计及人体运动学仿真

学号毕业论文 题目： 机械手的设计及人体运动学仿真 作 者 文富荣 届 别 2015 届 院 别 机械工程学院 专 业 机械电子工程 指导教师 李 锶 职 称 副教授 完成时间 2015年5月20日 摘 要 伴随现代科学技术的发展，机器人的应用从汽车制造领域逐渐拓展至其它 许多领域。为了使机器手的使用更加简便，提高资源的使用效率，本课题提出 一款基于单片机无线控制系统的机械手设计。在机械手的运动设计中，通过无 线遥控技术，舵机控制技术，传感器技术以及微机控制技术结合人体运动学的 仿真来实现机械手的控制。该设计主要分为机械手硬件部分、信号采集装置部 分、无线信号传输部分、信号处理部分组成，通过单片机系统控制，实现机械 手运动灵活，无线操作控制，机构联动等目的。 关键字关键字：机械手；单片机；无线遥控；信号采集；运动学仿真； I Abstract With the development of modern science and technology, the use of robots from many fields gradually expand to other automobile manufacturing field.In order to mak e easier use of machine hand, improve the efficiency of resource use, this topic propos ed a wireless control system of manipulator based on single chip design.In the movem ent of the manipulator design, through the wireless remote control technology, servo c ontrol technology, sensor technology and computer control technology in combination with the human body kinematics simulation to achieve control of the manipulator.Thi s design is mainly divided into mechanical hardware, signal acquisition device, a wire less signal transmission, a signal processing parts, controlled by single chip microcom puter system, realize the flexible manipulator movement, wireless control operation, i nstitutional cooperation purpose. Keywords: Manipulator; Single chip microcomputer; wireless remote control; Signal acquisition; Kinematics simulation; II 目 录 摘 要 .I ABSTRACT .II 目 录 .III 1 前 言 .1 2 机械手设计的提出与功能定位 2 2.1 设计思想.2 2.2 设计方案的比较.2 2.2.1 机械手的驱动设计2 2.2.2 机械手控制系统的选型2 2.3 机械手总体设计方案.3 3 机械手执行机构设计 5 3.1 机械手自由度的设计.5 3.2 机械手运动空间的 MATLAB 仿真5 3.3 机械手驱动源的计算选型.8 3.4 机械手的结构部件设计.8 4 信号采集装置设计 5 4.1 手臂信号采集装置结构设计.5 4.2 手部信号采集的机构设计.5 4.5 信号采集传感器的计算与选型.8 5 硬件电路设计 .10 5.1 信号采集处理电路10 5.2 控制信号处理电路11 5.3 其他模块的电路设计12 5.4 总体电路图13 6 软件设计 .14 6.1 初始化程序设计 15 6.2 信号采集处理程序设计 15 6.3 控制信号执行程序设计 16 湖南理工学院毕业设计(论文) III 小小 结结 .26 参考文献参考文献 .27 致致 谢谢 .28 附附 录录 五自由度机械手实物图 人体手臂运动信号采集装置实物图 五自由度机械手控制程序 0 前 言 机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，距第一台工业机 器人 1962 年在美国诞生，机器人已经有了三十多年的发展史。机械手主要是机械制造 技术与电子信息技术的物一体化产，它能够接受指令，精确地定位到三维或二维空间 上的某一点进行操作。现今的机械手已经可以代替人类的很多生产活动，它具有可以 在恶略环境下工作，生产效率比普通人工要高，运行稳定等优点。随着科技的进步机 械手臂的发展十分迅速，逐渐被大众所接受。在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军 事、等很多领域都能见到它的身影。 机械手控制系统经历了机械手完成放射源转运年代、化工产品垛机械手年代、 工业用机械手兴起和发展年代 这几段时期。它是由 美国开始研制。 主要是利用反 馈控制技术控制机械手的执行机构，让机械手模仿人的动作 ，最后使得机械手 能 够实现动作的重复性。我国的机械手是从八十年代开始起步,在国家的大力支持下,目 前已经基本掌握了机械手的硬件设计制造技术、控制系统设计，并且生产大部分关键 性部件，但是总体看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外相比还有 一定的距离。所以对机械手臂的控制研究任重而道远。目前，在机械手控制方面主要 有：PLC 控制、ARM 控制、FPGA 以及单片机等控制。通过控制器的处理使机械手臂按照 设定的轨迹操作。根据机械手臂的用途以及工作要求分别选用不同的控制器。 根据机械手的发展现状，本课题提出一款基于单片机控制系统的六自由度机械手 设计及其运动学仿真，设计了一套采集运动信号的装置来采集人体手臂的运动信号， 对信号进行处理后通过采用 433MHZ 无线遥控技术来与机械手进行远程控制，简化了机 械手的遥控操作方式。在整个机械手的设计过程中分为两个主要部分即信号采集和执 行机构设计。其中包括了：机械手执行部分、信号采集装置、无线信号收发系统、信 号处理系统模块等，该机械手臂的设计使机械与电子得到有效的结合；在机械手的遥 控操作上有着独特的创新之处，在提高对单片机应用的认识同时，也对未来机械手的 创新性应用具有积极意义。 湖南理工学院毕业设计(论文) 1 2 设计的提出与功能性定位 2.1 设计思想 基于远程控制的五自由度机械手的设计，实现机械手臂基座(腰)，大臂， 中臂，小臂，手腕旋转五个自由度，在手腕顶部的手爪机构实现对负载的抓取， 机械手按远程信号实现抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。系统由 运动和控制两部分组成：机械手的运动一方面可由设置的程序控制；另一方面 由人体手臂的运动来操控，控制信息来自机械手“视觉”系统，信息通过无线 网络传送到控制端，再由控制端将机械手运动的方式信息（实际人体手臂动作 信息）传送到机械手，完成机械手运动控制。整体设计方案如图 2.1.1 图 2.1.1 系统设计方案 机械手执行机构 “视觉”信号 处理中心 A 处理中心 B 手臂信号采集 PC 机显示 2 2.2 方案的比较 2.2.12.2.1机械手的动力设计 机械手的动力设计一般主要有气动、电动、液压 、机械式四种方式。 液压驱动式机械手一般由液压动力机（各种油缸、油马达）、油泵、伺服 阀、油箱等组成的驱动系统，通过控制各个部分的油阀驱动机械手的相应执行 机构进行相关工作。由于液压的特性，通常液压驱动式机械手具有比较大的抓 举能力（高达几百千克以上），其特点是结构比较紧凑、动作平稳、耐冲击、 耐震动、防爆性好，但是液压元件在制造上要求有着较高的制造精度和密封性 能，否则将会导致漏油等情况的发生，会导致环境的污染。 气压式驱动的驱动系统主要由气罐、气缸、气阀还有空压机等部件组成， 其特点是动作迅速、气源方便、结构相比液压来说会简单、其造价低廉、维修 比较方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力略有不足。 电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源获取方便， 响应快，在使用大型动力源的前提下获得的驱动力较大（关节型的持重可以达 到 400kg），除此以外，电力驱动的信号检测、传动、处理更加方便，并可有 多种灵活的控制方案可供采用。步进电机，直流伺服电机（AC）为一般为主要 的驱动方式。但由于电机的旋转速度较高，通常须采用减速机构（如谐波传动、 RV 摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已开始采 用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化， 又可提高控制精度。 机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。 其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。 通过对比分析，电力驱动具相比其他驱动方式具有更优良的操作与执行性 能。在降低制作成本，提高控制精度等要求下，本机械手选用电力驱动的方式。 湖南理工学院毕业设计(论文) 3 2.2.22.2.2机械手控制系统的选型 机械手控制系统主要由六个模块构成，分别为：信号采集处理模块；无线 接收、发射模块；控制信号处理模块；视频、音频信号采集发射模块；移动平 台运动控制模块；电源模块。人体手臂运动信号采集装置将获取的信号经过信 号采集模块处理后转换为控制信号，通过无线发射、接收模块发射至机械手控 制信号处理模块，由控制信号处理模块控制，从而实现有序抓取动作。在这一 过程中电源模块提供稳定电压，确保各模块的稳定工作。机械手的控制方式可 以有多种选择，不同的控制系统，有着不同的特性。下面对各控制器系统实现 的方案分别进行对比。 方案一：基于 FPGA（现场可编程门阵列）技术的机械手臂控制方案。FPGA 最显著的特点运算速度快，编程方式灵活，而且有些 FPGA 芯片内部集成了很多 有用的模块，比如串行收发模块等。但 FPGA 下电之后，再次上电时，需要重新 加载 FLASH 里面的逻辑代码，需要一定的加载时间。控制方案如图 2.2.1 所示： 手臂运动信号的采 集与处理 FPGA 控制系统 运动平台五自由度 机械手 图 2.2.1 基于 FPGA 控制的机械手臂方案 方案二：基于嵌入式系统的机械手臂控制方案。该方案采用基于 ARM 芯片 内核的嵌入式处理器。它有更好的控制接口，集成了更多的控制模块，控制起 来更方便。ARM 大量使用寄存器，指令执行速度更快。还可以加入小系统，加 4 入人机界面等。控制方案如图 2.2.2 所示： ARM 内核 电 源 模 块 无线 遥控 驱动 模块 图 2.2.2 基于嵌入式系统控制的机械手臂方案 方案三：基于单片机系统的机械手控制方案 。该方案采用 STC12 系列单片 机作为数据处理中心。单片机系统结构简单、稳定，使用方便，易实现模块。 单片机其可靠性高，处理功能强，速度较快；还具有低电压操作，低功耗，环 境适应能力强等优点。只要先写入一次程序就可长时间对其保存，不易丢失。 通过对比，FPGA 系统无需外接 D/A 转换器,大大简化了系统的外围硬件电 路结构,提高了系统的抗干扰性能,缩短了步进电机驱动器的设计周期，易于调 试和进行功能扩展，但 FPGA 更适合于触发器丰富的结构，且价格较高，编程实 现难度大。ARM 嵌入式系统体积小，集合度高，功能性强有较强的数据处理能 力。但价格高，在小规模实时性要求一般的系统中造成了资源的浪费。通常 ARM 采用贴片式的封装方式，无形中增加了电路制作与故障维修的困难度。方 案三中单片机技术十分成熟，与外部电路具有良好的兼容性，虽然它的外围电 路较多，但是系统简单、可靠、控制功能强、成本低、易操作。在电路的制作 方面由于单片机大多采用双列直插式的封装，使得单片机系统的电路制作与故 障维修的难度大大降低。 综上分析，本设计选用基于单片机系统的机械手控制方案。 2.3 机械手总体设计方案 机械手总体方案如下： 湖南理工学院毕业设计(论文) 5 1、机械手主要由机身（机座）、臂部、腕部、手部组成； 2、机械手各关节执行机构由高扭力舵机提供动力, 使用 6V 电源； 3、采用 STC12C5A60S2 单片机作为机械手的数据处理中心； 4、人体信号采集装置使用 433MHZ 无线信号对机械手进行控制。 4、机械手臂安装在一辆四组履带驱动的小车上，可直行与 360原地转 弯。 该设计主要由机械手执行机构、人体信号采集装置、控制系统三部分组成，三 者的关系如图 2.3.1 所示： 图 2.3.1 机械手整体设计方案 五自由度机械手 机械手执行机构 人体信号采集装置 控制系统 6 3 手臂的机械零件设计 3.1 机械手自由度设计 机械手的操作机（操作器）即为机器人的执行机构部分，是机器人握持工 具或物件，完成各种运动与操作任务的机械部分。操作机构一般采用一系列的 连杆通过运动副串联起来的开式运动链，连接两个连杆的运动副称为关节。因 为结构上的原因，运动副通常只使用转动副与移动副两类。以转动副相连的关 节称为转动关节，以移动副相连的关节则称为移动关节，每个关节上都将配有 相应的驱动器。一般来说，运动链的自由度与末端执行器的运动自由度数量是 一致的。 所有的机器都是由机构组成的，在进行机构设计之前需要确定机构的自由 度，进而才能够确定驱动的配置和控制问题。本机械手结构简图如 3.1.1 所示。 图 3.1.1 机械手结构设计简图 湖南理工学院毕业设计(论文) 7 由图可得出该机械手的活动构件数目 n 为 5，根据空间运动链自由度计算公式： F=6K-(5+4+3+2+) 5 P 4 P 3 P 2 P 1 P 可以计算机械手的自由度： F=6*5(5*5+0*4+0*3+0*2+0*1) =3025 =5 （F操作机的自由度；操作机的 i 级运动副的数目） i P 由计算结果得机械手 5 个自由度。 3.2 机械手运动空间的 MATLAB 仿真 连杆 i 的前段关节定义为关节 i，后端关节定义为关节 i+1。使用 D-H 法 （四参数法）对机械手建立连杆前置坐标系，使第连杆坐标系的 Zi 轴与前段关 节 i 的轴线重合。确定连杆长度 a，扭角 ，偏距 d，转角 等 D-H 参数（如 表 3.2.1）； 表 3.2.1 c -s 0 i i 1 - i T i i 1 = 8 sc cc -s -s i 1 - i i 1 - i 1 - i i d 1 - i sc cc c s i 1 - i i 1 - i 1 - i i d 1 - i 0 0 0 1 对于有 5 个连杆的机械手而言，其运动方程式则为：=。 T 0 5 T 0 1 T 1 2 T 2 3 T 3 4 T 4 5 根据齐次变换的描述编辑 MATLAB 仿真程序： syms theta1;syms theta2;syms theta3;syms theta4;syms theta5; T1=cos(theta1) -sin(theta1) 0 0 sin(theta1) cos(theta1) 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1; T2=cos(theta2) -sin(theta2) 0 0 0 0 1 3 -sin(theta2) -cos(theta2) 0 0 0 0 0 1; T3=cos(theta3) -sin(theta3) 0 120 sin(theta3) cos(theta3) 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1; T4=cos(theta4) -sin(theta4) 0 25 0 0 1 10 -sin(theta4) -cos(theta4) 0 0 0 0 0 1; T5=cos(theta5) -sin(theta5) 0 0 0 0 -1 0 sin(theta5) cos(theta5) 0 0 0 0 0 1; T=T1*T2*T3*T4*T5 /为 D-H 坐标变换矩阵 i T a=pi/180; for theta1=-180*a:10*a:180*a for theta2=-90*a:10*a:90*a theta3=-90*a:10*a:90*a for k=1:length(theta3) = 湖南理工学院毕业设计(论文) 9 px=120*cos(theta1)*cos(theta2) - 3*sin(theta1) - 25*cos(theta1)*sin(theta2)*sin(theta3) + 25*cos(theta1)*cos(theta2)* cos(theta3) - 10*cos(theta1)*cos(theta2)*sin(theta3) - 10*cos(theta1)*cos(theta3)*sin(theta2) py=3*cos(theta1) + 120*cos(theta2)*sin(theta1) - 10*cos(theta2)*sin(theta1)*sin(theta3) - 10*cos(theta3)*sin(theta1)*sin(theta2) - 25*sin(theta1)*sin(theta2)*sin(theta3) + 25*cos(theta2)*cos(theta3)* sin(theta1) pz= 10*sin(theta2)*sin(theta3) - 10*cos(theta2)*cos(theta3) - 25*cos(theta2)*sin(theta3) - 25*cos(theta3)*sin(theta2) - 120*sin(theta2) end plot3(px,py,pz),title(机械手的工作空间),xlabel(x mm), ylabel(y mm),zlabel(z mm) hold on grid on end end 通过 MATLAB 的运算获得机械手的工作空间模型（如图 3.2.1）： 10 图 3.2.1 机械手工作空间仿真模型 3.3 机械手驱动源的计算选型 机械手的连杆长度为=25mm; =110mm; =120mm; =5mm; i L 1 L 2 L 3 L 4 L =55mm。机械手的手臂手抓部分主要采用铝合金制作，其密度 一般为 2.8 5 L /。每一节连杆的质量经过计算基本为：g 3 cm =336g；=265g；=254g；=96g；=200g。 1 L 2 L 3 L 4 L 5 L （、为轴向旋转副，计算参数类型不同） 1 L 5 L 假设每一接连杆的重心位于连杆中心，机械手设计提取的最大重量为 300g,根 据力矩的计算方式 M=F*L 计算每个关节所需的最小扭力。其结果为： =16.40175kg*cm；=20.16375kg*cm；=10.0625kg*cm；=2.8k 1 M 2 M 3 M 4 M 湖南理工学院毕业设计(论文) 11 g*cm；=2.2kg*cm。 5 M 综合控制，扭力方面的考虑，本机械手使用直流数字舵机作为关节驱动。 根据计算参数选用 ES3104、PDI-6221MG 两种舵机，其参数如表 3.3.2(a.b)所 示。 项目 电压 扭力速度重量体积输出齿最大脉宽 4.8V 2.5kgfcm0.14s/60 6.0V 3.0kgfcm0.14s/60 17g 28mm*12.7mm *27.0mm 25T900-2100US 表 3.3.2.a ES3104 参数表 项目 电压 扭力速度重量体积输出齿最大脉宽 4.8V 17.25kgfc m 0.14s/60 6.0V 20.32kgfc m 0.14s/60 62g 40.5mm*20.2 mm*38mm 25T900-2100US 表 3.3.2.b PDI-6221M 参数表 3.4 机械手的结构部件设计 机械手由转座(腰)，大臂，中臂，小臂，腕部组成。 机械转座是连接小车与手臂的执行机构，由机械底座和轴向推力轴承组成， 通过舵机连接的轮盘来实现转动，作为机械手臂操作时的旋转中心。由于机械 底座要承受机械手的全部重量还有机械手运行时的力矩，为加大承重能力，故 选用内径为 50mm 外径为 70mm 的推力轴承。推力轴是由两个止推垫片或更多 止推垫片和若干滚动体组成的，可以承受轴向上的压力的同时进行旋转。为减 小转座的摩擦力和抬高机械手高度，适当的增加一组推力轴承。通过在推力轴 12 承的外部设置一个外框，对其进行位置固定。设计及实物如图 3.4.1(a.b)所示。 图 3.4.1.a 机械转座设计装配图 图 3.4.1.b 机械转座实物图 为提高机械手的运动灵活性和机械手的抓取物体重量指标，机械手臂的本 身重量在不影响其强度的前提下应尽量的降低其重量。本设计中，机械手臂为 减轻机械手臂重量，每节手臂均设计由两个尺寸和结构相同的铝合金制零件通 过螺栓装配而成。大臂设计为非直线型的结构，这样的设计可以使机械手臂复 位时保持一个紧凑的形态，增强机械手臂的灵活度。而小臂与腕部设计为直线 型结构，这样的设计有利于制作与安装，节约制作成本与安装时间。机械手各 节手臂的设计图如图 3.4.2(a.b.c)所示。 图 3.4.2.a 机械手臂大臂设计图 湖南理工学院毕业设计(论文) 13 图 3.4.2.b 机械手臂小臂零件设计图 图 3.4.2.b 机械手臂腕部、连接片零件设计图 机械手末端执行器（手抓）是通过齿轮啮合实现抓取的，所选齿轮为不完 全直齿轮，传动方式为渐开线啮合传动。不完全齿轮参数为：模数 M=2，齿数 Z=5。为使手抓具有较好的夹持能力，手抓上增加软性泡沫材料。如图 3.4.3(a.b)所 示。 图 3.4.3.a 机械手爪设计装配图 图 3.4.3.b 机械手爪实物图 14 根据每节手臂的设计，装配完成后机械手具有 5 个自由度。其装配图如图 3.4.4 所示。 图 3.4.4 机械手装配图 4 信号采集装置设计 机械手的控制指令由人体运动信号采集装置提供，其工作过程如图 4.1.1 所 示。首先角度传感器将手臂运动信号采集，因为采集到的是模拟信号，需要引 入 AD 转换电路，将模拟量信号转化为数字信号以便单片机 A 系统（手臂运动 信号采集装置处理系统）识别处理。信号经过处理后通过无线信号传输至单片 机 B 系统（机械手运动机构控制系统），系统根据指令控制驱动电路完成对各 个机械手关节进行控制。 湖南理工学院毕业设计(论文) 15 图 4.1.1 4.1 手臂信号采集装置结构设计 手臂信号采集装置是装配在人体手臂上的，因此设计上需要贴合人体手臂 的运动。根据实际测量人体大臂，小臂，腕部的结果，基本长度为 25cm、27cm、10cm。信号采集装置使用 ABS 板材（Acrylonitrile Butadiene Styrene 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）与铝合金制作，在手臂长度上采用可以适度 调节的设计。手臂运动信号采集装置每个部件设计图如图 4.1.2 所示。 4.1.2.a 大臂转动座零件图 4.1.2.b 大臂转动座装配图 角度传感A/D 转换单片机 A 系统 驱动电路 无线传输 单片机 B 系统 各手臂关节 16 4.1.2.c 大臂零件图 4.1.2.d 大臂装配图 4.1.2.e 小臂零件图 4.1.2.f 小臂装配图 4.2 手部信号采集的机构设计 手部信号采集装置需要采集机械手腕部旋转信号、机械手爪张合信号、运 动平台运动信号、灯光开闭信号。同时手部信号采集装置的设计要方便人体手 部的运动，达到简便操控的目的。为满足以上几点要求，手部信号采集部分使 用 ABS 材料制作。其设计及实物图如 4.2.1(a.b)所示。 湖南理工学院毕业设计(论文) 17 4.2.1.a 手部信号采集装置设计图 4.2.1.b 手部信号采集装置实物图 该装置使用双轴 XY 摇杆模块（如图 4.2.2 所示），控制机械手平台的移动。 使用双路限位开关控制机械手爪的张合动作，通过点触开关控制照明灯的开启 与关闭。 4.2.2 双轴 XY 摇杆模块 18 4.3 信号采集传感器的计算与选型 人体运动信号采集装置通过角度传感器获取人体运动信号。当人的手臂关节运动时， 关节将会产生一个转动量，角度传感器能够捕获这一转动量的大小将其传回处理系统，完 成信号采集这一过程。传感器所获得的信号需要经过数模转换(AD 转换)，将输出的模拟量 变成数字量。假设传感器位于原点时电阻值为，串联电阻为，AD 转换芯片使用 w R 0 R ADC0809，电源为 5V，则输出数字量为的二进制表示形式。取值为 1K,为 0 8 2 5 RR RV W W 0 R 了便于数据的计算，的值取 2.5K。由于为传感器的中间值，由此传感器选用的阻 W R W R 值型号为 RV24YN205 B502。其使用参数如表 4.3.1 所示，安装参数如图 4.3.2 所示。 型号阻值阻值公差机械行程温度范围旋转寿命功率 RV24YN205 B5025K10% 3005 -10-855000 转3W 表 4.3.1 图 4.3.2 湖南理工学院毕业设计(论文) 19 5 硬件电路设计 5.1 信号采集处理电路 机械手的控制信号是由人体手臂运动信号采集装置获取的，由于获取的是 模拟信号，需要进行 AD 转换。通过对比，AD 转换采用 8 位逐次逼近式 A/D 模数转换器 ADC0809，其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存 译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。通过这块芯 片可以采集手臂的多个关节运动信息。转换时间为 100s(时钟为 640KHz 时)， 130s（时钟为 500KHz 时），使用+5V 电源供电，模拟输入电压范围 0+5V，不需零点和满刻度校准，工作温度范围为-40+85 摄氏度，功耗约为 15mW。通过 74LS373 可将 AD 数据暂时锁存。其转换电路原理图如图 5.5.1 所 示。 图 5.5.1 AD 转换电路 信息采集后需要对其进行处理，得出角度的变化值，这一过程采用单片机 系统进行完成。单片机选用台湾宏晶公司生产的 STC90C516S 处理芯片，在性 能上有着比 89C51 更出色的运算速度能力。其 P0 口作为 AD 信号的数据输入、 20 输出接口，P1 口作为按键接入接口与射频通信模块 SPI 通信方式接口，P2 口作 为四个 LED 灯控制接口，P3 口为 ADC0809 控制接口、外围各模块的中断入口、 串行通信接口。电路原理图如图 5.1.2 所示。 图 5.1.2 信号处理系统 5.2 控制信号处理电路 机械手通过无线获得控制命令之后，根剧控制命令内容对机械手手臂上的 舵机、移动平台上的直流电机、手腕部的照明灯进行控制。由于控制信号处理 系统需要在接收控制指令的时间内也要保持对机械手的控制，故该系统使用两 块 STC90S516 单片机通过串口通信的方式完成。这样的设计可以保证机械手的 稳定运行。其原理图如图 5.2.1 所示。 湖南理工学院毕业设计(论文) 21 图 5.2.1 为保证单片机的控制信号的传输不被外部其他电路干扰，设计使用 TLP521-2GB 光电耦合器进行光电隔离处理，其电路连接方式如图 5.2.2 所示。 图 5.2.2 5.3 其他模块电路设计 机械手移动平台使用四组直流电机驱动，每一边的两组采用并联电路设计， 使其运动一致。移动模块的驱动芯片选用 L298N 芯片。一个 L298N 芯片可以驱 动两个直流电机。L298N 是一种双 H 桥电机驱动芯片，其中每个 H 桥可以提供 2A 的电流，功率部分的供电电压范围是 2.5-48v，逻辑部分 5v 供电，接受 5V 的 TTL 电平。一般情况下，功率部分的电压理应大于 6V，否则会造成芯片可能 22 不正常工作的现象发生。设计中 L298N 的功率部分电压为 12V，其使能端一直 为高电平。通过控制 L298N 的 IN1、IN2、IN3、IN4 接口的电压，达到控制直流 电机的正反运动的目的。及输入信号端 IN1 接高电平输入端 IN2 接低电平，电 机 M1 正转。（如果信号端 IN1 接低电平， IN2 接高电平，电机 M1 反转。）控 制另一台电机是同样的方式，输入信号端 IN3 接高电平，输入端 IN4 接低电平， 电机 M2 正转。（反之则反转）。其控制电路原理图如图 5.3.1 所示。 图 5.3.1 L298N 直流电机驱动电路 为使机械手的性能得到增强，使用两种不同频率的信号。控制信号为 433MHZ，影音传输使用 2.4GHZ 信号。工作是，因为两种信号的工作频率不同， 因此避免相互之间产生干扰作用。 433MHZ 无线信号，具有穿透性强，通讯距离远的优点。设计中使用 RF1101SE 微功能无线数传模块发射该信号。该模块采用 TI 公司的高性能 CC1101 无线通信芯片，其最大的传输数据可以达到 500kbPS,可以使用软件修改 波特率。在开阔地域传输距离可以达到 200M 到 300M，且具有无线唤醒等功能， 降低空闲使的工作功率。该模块如图 5.4.1.a 所示。 2.4GHZ 无线信号具有传输速率高，抗干扰能力强的优点。设计中影音监控 系统的音频信号使用 CS5360 芯片进行 A/D 处理，视频信号使用 DEC-2102 芯片 湖南理工学院毕业设计(论文) 23 处理，使其都转化成数字信号。采用 ARM 单片机系统实现对该系统的系统控制 和数据处理，最后通过 TRC104 芯片进行信号发射。该模块如图 5.4.1.b 所示。 图 5.4.1.a 433MHZ 无线发射模块 图 5.4.1.b 433MHZ 无线发射模块 机械手的舵机驱动电压、处理系统与信息发射模块使用的电压不同，需要 使用了三组电源稳压模块，分别为：使用 LM7805 产生 5v 电压为系统与转换电 路供电；使用 LM7806 产生 6v 电压为舵机驱动提供电源；使用 SPX1117 产生 3.3v 电压为发射模块供电。其电路原理图如图 5.4.1（a.b.c）所示。 图 5.4.1.a 5V 电源模块 24 图 5.4.1.b 6V 电源模块 图 5.4.1.c 3.3V 电源模块 5.3 总体电路图 机械手控制系统电路图（如图 5.3.1 所示） 湖南理工学院毕业设计(论文) 25 图 5.3.1 26 信号处理系统电路图（如图 5.3.2 所示） 图 5.3.2 湖南理工学院毕业设计(论文) 27 6 软件设计 6.1 初始化程序设计 初始化程序主要是对机械手臂控制系统做一个调整，当机械手启动时系统 将会进行一个初始化操作，此时机械手回复一个复位的状态。这样有利于当机 械手的关节运动超量程后，可以通过复位的操作使机械手回归原位。其工作流 程图如图 6.1.1 所示。 图 4.7 初始化流程图 开 始 定义 I/O 口对 象 定义舵机的标志 位与设定参量 待 机 N 停止标志位的参量改 变 Y 是否回归复位 改变标志位参量 28 6.2 信号采集处理程序设计 人体信号采集装置由角度传感器将采集手臂运动信号。在程序控制阶段， 人体信号采集装置在开机后要对系统进行自动检测，查看系统是否处于正常状 态。自检过程完成后开始进入待机状态，等待运动控制信号的输入，进入信号 采集状态。其具体的工作流程如图 6.2.1 所示。 图 6.2.1 开 始 等待信号 自动检测 有信号输入？ 是否为第 N 个关节信号 是否为功能 选择信号 为关节运动 信号？ 等待信号 N+1 发射关节运动信 号 确定功能内容 N N N N Y Y Y Y 湖南理工学院毕业设计(论文) 29 信号处理程序中，包含了多个延时程序，以便提供舵机的控制信号及键盘 扫描辅助功能。延时程序主要是当做子程序运用，在主函数中调用即可。在机 械手臂的控制系统中延时程序用在键盘的去抖、定时器中断、外部中断等方面。 在程序中延时子程序 delay（Z）一般含有参数 Z，延时时间的长短跟循环次数 有关，循环次数的参数为 Z，我们可以更改 Z 的数值（Z=X）来调整延时时间 的长短。程序流程图如图 6.2.2 所示。 图 6.2.2 x = z 开 始 x 0 ? x y 0 ? y 结 束 N Y Y N 30 6.3 控制信号执行程序设计 机械手的控制取决于接收到的无线信号，单片机接收到无线信号后，对信 号进行解析，判断是哪已部分的控制指令，从而做出相应的反应动作，其具体 流程如图 6.3.1 所示。 图 6.3.1 控制信号执行流程图 无线信号 关节运动信 号？ 其他功能信 号？ 信号解析或等待信号 执行相关操作 解析功能信号内容解析运动关节与运动方向 湖南理工学院毕业设计(论文) 31 小 结 本设计为基于远程控制的五自由度机械手，使用单片机作为控制中枢，实 现机械手臂基座(腰)，大臂，中臂，小臂，手腕旋转五个自由度，在手腕顶部 的手爪机构实现对负载的抓取，机械手按远程信号实现序抓取、搬运物件或操 持工具完成某些特定操作。在控制系统上，使用人体手臂信号处理装置，采集 人体手臂的关节运动信息，经过模拟信号转数字信号处理后由控制端将运动信 息（实际人体手臂动作信息）通过无线信号传送到机械手，完成机械手运动控 制。在机械手的控制过程中增加影音传输系统，使控制效果得以提高。 该机械手有着低成本，高效率的优点，在不增加额外硬件装备的情况下， 可单独运用在排爆，远程影音监控，危险地域样品采集，情况侦查等对人的身 体健康构成威胁或者是工作空间狭隘的领域。因为对机械手采取开放式的设计 方案，在简化了控制操作的前提下，还可以为后续的硬件扩充，软件升级等性 能提升提供物质基础，使得应用的领域可以扩展到建筑，采矿等行业。用该设 计对机械手进行控制能够很大程度上提过使用效率，节省大量时间，可以预见， 新型的机械手控制方式将有着广阔的应用市场。该设计的应用将会对未来经济 的创造具有积极的推动作用。 本设计的不足之处是机械手的关节驱动扭力难以胜任工业任务的要求，在 提高成本的基础上可以使用电液结合的控制方式来解决这一问题。整个设计过 程能完全体现出机电一体化产品的设计流程，对本人而言是一笔宝贵的知识财 富。