（机械设计及理论专业论文）主从灵巧手的控制系统设计与实现.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 灵巧机械手作为机器人末端夹持器，其应用的范围越来越广泛，因此对它的控制要求 也越来越高。与以往由人操作计算机发送控制指令来实现灵巧机械手的运动控制相比，灵 巧机械手的主从控制可以实现由人手直接操纵灵巧机械手，能够较好的实现灵巧机械手运 动的实时性、直观性和灵活性，因此，灵巧机械手主从控制控制系统的研究具有重要的理 论意义和应用前景。 本文以自主研发的全驱动灵巧机械手作为研究对象，设计并实现它的整个主从控制系 统，主要的工作包括： 在综合分析国内外灵巧机械手以及其主从控制方面的研究现状和发展趋势的基础上， 提出了本文的研究目标和研究内容。 首先，开展全驱动灵巧机械手控制电路板的研发。从基于p c 机实现灵巧机械手的控 制入手，依据灵巧机械手的驱动元件设计控制电路板，包括电路板中主控制器、驱动元件 及其他元器件的选择和电路板的制造等。在此基础上开发主控制器的程序，实现对灵巧手 中每个步进电机的控s u 在p c 机上使用串口调试助手对灵巧机械手进行实验控制，并使 得灵巧机械手完成了“o k 一手型、“v 手型和兰花指型三种姿态。 然后，开展数据手套的数据采集及p c 机与控制板之间串行通信的研发。使用数据手 套获取人手每个关节的数据，在p c 机上经数据手套消抖处理算法、关节角映射算法以及 数据格式处理算法处理后，将数据转化为符合p c 机与控制器之间通信协议的数据，并创 建串口将数据从串口发送给控制电路板。 接着，开展全驱动灵巧机械手的实验测试。将p c 机控制灵巧机械手部分和数据手套 的数据采集以及串行通信部分结合，实现数据手套与控制板之间的数据传输，并操作数据 手套实现了灵巧机械手“o k 手型和“v 手型两种姿态；根据实验结果分析了整个控制 系统的实时性和控制精度，得到了数据手套最佳的采样频率，缩短了延时时间，提高了灵 巧机械手运动的实时性；分析了影响控制精度的因素并提出解决方法，以提高灵巧机械手 运动的控制精度。 最后，论文的总结和展望。 关键词：灵巧机械手；步进电机；数据手套；主从控制；串行通信 m a s t e r - s l a v ec o n t r o ls y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o faf u l ld r i v e dd e x t r o u sr o b o th a n d a b s t r a e t t h ec o n t r o ls y s t e mo fd e x t e r o u sr o b o th a n di so n eo fi m p o r t a n tc h a n l l e g e si nr o b o tf i e l d t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sl i m i t e dt h ef i e x i l i t yo fd e x t e r o u sr o b o th a n d m o r ea n dm o r e r e s e a r c h e r sf o c u so nt h em a s t e r - s l a v ec o n t r o lm e t h o dt od r i v ed e x t e r o u sr o b o th a n d i n t h i sp a p e r ，w ed e v e l o pam a s t e r - s l a v ec o n t r o ls y s t e mo faf u l ld f i v e dd e x t e r o u sr o b o t h a n d ，w h i c hh a d2 0d o f sa n df i v ef i n g e r s a l lo ff i n g e rj o i n t sa r ea c t i v ej o i n t sd r i v e nb y2 0 s t e p p e r m o t o r s t h em a i nr e s e a r c hw o r ks h o wa sf o l l o w i n g ： a n a l y z e dt h ec u r r e n tr e s e a r c hr e s u l t sa n dt e n d e n c i e so ft h ed e x t e r o u sr o b o th a n d s ，t h e d r i v e nc o m p o n e n t so fd e x t e r o u sr o b o th a n d sa n dt h er e l a t i v e dc o n t r o ls y s t e m s ，t h er e s e a r c h o b j e c t i v e sa n dc o n t e n t so f t h i ss t u d ya r ep r o p o s e di nc h a p e r1 a c c o r d i n gt h ed r i v e nc o m p o n e n t so ft h ef u l ld r i v e dd e x t e r o u sr o b o th a n d ，w ef i r s t l y d e v e l o pa ni c b ，w h i c hi st h ec o m m u n i c a t i o nh a r d w a r eb e t w e e nt h ep ca n dt h ef u l ld r i v e d d e x t e r o u sr o b o th a n d t h e n ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e sb e t w e e nt h ep ca n dt h ei c ba r e e d i t e dt os e n dt h ec o n t r o lc o m m a n d st od r i v et h ef u l ld r i v e dd e x t e r o u sr o b o th a n d t h r e es p e c i a l h a n dp o s e sw e r et e s t e dt ov a l i d a t et h i sp r o c e s s f o r e m o r e ，t h eh u m a nf i n g e rj o i n t sm o v e m e n t d a t aa r eo b t a i n e db yc y b l e g l o v e t h em o v e m e n td a t aa r em a p p e dt ot h ed e x t e r o u sr o b o th a n d f i n g e rj o i n t sr e s p e c t i v e l y t h e f o r m a t o fm o v e m e n td a t ai st r a n s f o r m e dt o s a t i s f yt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h es h a k e so fc y b l e g l o v ea r ep r e v e n t e db e f o r et h em o v e m e n td a t as e n t t ot h ei c b t h u s ，t h em a s t e r - s l a v ec o n t r o ls y s t e mo ft h ef u l ld r i v e dd e x t e r o u sr o b o th a n di s c o n s t r u c t e d t w os p e c i a l e x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e dt ot e s tt h i sm a t e r - s l a v ec o n t r o l s y s t e m t h e c y b l e g l o v eo b t a i n e dt h eh u m a nf i n g e r sm o v e m e n td a t a ( “o k ”h a n dp o s ea n d “v ”h a n dp o s e ) ， w h i c hd r i v e nt h ef u l ld r i v e dd e x t e r o u sr o b o th a n dt oa c h i e v et h ec o r r e s p o n d e da c t i o n s t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mc a ne f f i c i e n tm a t c ht h es a m p l i n gf r e q u e n c yo f c y b e r g l o v ed a t a ，a c h i e v eh i g hr e a l t i m em o v e m e n ta n di m p o v et h em o v e m e n tp r e c i s i o no ft h e 角l id r i v e dd e x t e r o u sr o b o th a n d k e yw o r d s ：r o b o th a n d ；s t e p p e rm o t o r ；d a t ag l o v e ；m a s t e r - s l o v ec o n t r o l ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n u 浙江理丁大学硕士学位论文 1 1 课题来源、背景及研究意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于浙江省自然科学基金人才团队研究项目“主从控制拟人灵巧手系统的研 发”。 1 1 2 研究背景 机器人的末端夹持器即机械手在机器人的领域中一直是热点的研究，在很多领域中发 挥着非常重要的作用。它被广泛应用于车间流水线以及其他的车间运作中，以代替人类劳 动，从事一些具有辐射、危险、人手不可触及的工作。在大大提高劳动生产率的同时也大 大提高了对人类身体健康的保障，对人类来说是一个非常大的进步，同时对于智能抓取的 发展有着很大的推动作用。 为了使机械手实现更好的抓取功能，对拟人灵巧机械手进行了大量的研究，以使用拟 人灵巧机械手实现具有一定位置精度的抓持功能，使其具有更好的灵活性及通用性。 在实现机械手的抓持运动过程中，运动控制这一部分必不可少，传统方法是使用计算 机来实现灵巧机械手的控制，通过人操作计算机发送运动控制指令来实现灵巧机械手的运 动控制。这种控制方式的缺点是须通过人来操作计算机发送控制指令，操作复杂，直观性 和交互性较差。 图1 1 数据手套主从控制 在这个背景下，使用数据手套实现灵巧机械手的主从控制变得尤为重要。在整个控制 过程中采用数据手套作为数据输入设备，采集人手的手指关节运动数据以用于控制灵巧机 械手。这种控制方式不仅能比较灵活的控制灵巧机械手运动，而且具有自然、直观、灵活 性强等优点，是提高灵巧机械手操作便利性和工作水平的有效途径，如图1 1 所示。本课 浙江理工大学硕士学位论文 题的主要目的是以数据手套( c y b e rg l o v ei i ) 、自主研发的全驱动灵巧机械手及自主开发的 灵巧机械手控制电路板为基础，利用串口通信技术和蓝牙通信技术，使操作者可以通过操 作数据手套来直接控制全驱动灵巧机械手，以实现人手与全驱动灵巧机械手之间高效、流 畅的直接交互。 1 1 3 研究意义 使用数据手套来实现灵巧机械手的主从控制具有很重大的意义： ( 1 ) 实现由人手操作数据手套直接控制灵巧机械手的运动，不再由计算机发送控制指令 控制灵巧机械手，操作简单、直观，大大提高了人与灵巧手之间的交互性。 ( 2 ) 具有很大的发展潜力，对灵巧机械手主从控制系统的研究有助于开拓灵巧手的应用 领域，以提高灵巧手在各个领域的工作性能和使用效率。对灵巧机械手的主从控制可以实 现由人手操作拟人灵巧机械手随意抓取任意放置的、形状复杂的以及对人体健康有害的物 体，而且灵巧机械手的主从控制可以应用于太空中的物体移动等相关操作。还可以应用于 军事中的战场扫雷，核设施的检测和维修核设施以及其他相关的危险作业。除了在制造领 域、太空领域以及军事领域外，主从控制的拟人灵巧机械手在生活中同样具有广泛的应用 前景。 综上所述，开展对拟人灵巧机械手主从控制系统的研究必将成为机器人末端夹持器领 域发展的热点，现在国内外大量的研究工作人员热衷于对机器人以及灵巧机械手等智能设 备主从控制的研究。本文所研究的是全驱动灵巧机械手主从控制的研制及测试。 1 2 国内外灵巧手以及驱动元件的研究现状 随着机器人领域技术的发展，末端夹持器即灵巧机械手也随之发展。经过大量国内外 研究人员的不断研究，在灵巧机械手方面以及灵巧手内部驱动元件方面取得了重大的进 展。 1 2 1 国外灵巧手及驱动器研究现状 从1 9 8 0 年开始，机器人领域的技术高速发展，越来越多的研究人员对机器人的末端 夹持器一多指灵巧手展开了研究和探索工作，并研制出了许多具有世界领先水平的灵巧机 械手。 7 0 年代，日本研制出了o k a d a 手，如图1 2 所示。o k a d a 手在早期研制的多指灵巧机 2 浙江理工大学硕士学位论文 械手中处于领先水平【1 捌，该灵巧机械手由3 个手指和1 个手掌两部分组成，共有1 1 个自 由度，除了大拇指以外的两个手指结构相同且有4 个自由度。由直流电机作为灵巧机械手 每个关节的执行器，并通过内部的钢丝和滑轮的相互协作来实现灵巧机械手关节的运动及 内部动力的传递。 美国麻省理工学院和犹他大学合作，于1 9 8 0 年开发出了u t a h m i t 手，如图1 3 所示， 由4 个结构相同的手指组成，共有1 6 个自由度，通过气压驱动气动伺服缸实现手指关节 转动，通过内部的绳索( 腱) 和滑轮的连接进行运动传递。与电机、记忆合金等驱动元件比 较，伺服缸的能量存储简单，空气来源于大气，容易获取，抗燃、防爆及保护环境。控制 系统分为三个层次来实现对伺服缸的控制，第一层使用工作站负责灵巧手的抓取以及规 划，第二层使用微处理器来协调各关节的运动，第三层使用伺服缸实现传动件钢缆的驱动 控制【3 5 1 。 图1 2 日本o k a d a 手图1 3 美田u t a h m i t 手 1 9 8 4 年，日本成功研制出了h i t a c h i 【6 j 手，如图1 4 所示。由三个手指构成，每个手指 具有4 个自由度，该手主要特点是采用形状记忆合金驱动。形状记忆合金能记忆自己本身 的形状，对形状记忆合金加热，当温度加热到一定温度时，由形状记忆合金保持的状态恢 复到最初状态。它具有速度快、负载能力强等优点，但是存在耐疲劳能力差、寿命短等问 题。 美国斯坦福大学研制的s t a n f o r d j p l 手【7 , 8 1 是一种非仿人手。如图1 5 所示，采用1 2 个 直流伺服电机作为关节的内部驱动元件，并通过腱传动系统传动运动和力。它首次引入了 模块化设计方法，并模仿人手的结构特点注重布置手指间的相对位置，更重要的是它首次 完整引入了位置、触觉、力等传感器系统，实现s t a n f o r d j p l 手的闭环反馈控制，从而开 始了多指手对外部环境的感知时代，并开创了多指灵巧手实际抓取操作的先河。 9 0 年代末美国国家航空和宇航局约翰逊空间中心合作并研制成功了n a s a r o b o n a u t 灵巧机械手【9 j ，如图1 6 所示，由前臂，手腕和手指三部分组成，手臂内部装有无刷直流 浙江理工大学硕士学位论文 电机和电机驱动控制电路板，五个手指一共有1 4 个自由度，由无刷直流电机实现手腕、 手掌和手指的驱动。n a s a r o b o n a u t 灵巧手具有丰富的感知能力，不仅可以满足精细操作 的要求，而且还可以很好的实现物体的稳定抓取。该手的外形与人手的外形相似度较高， 在灵巧机械手的研究领域内得到了大量研究人员的认可。以d s p 和f p g a 为主要的控制器， d s p 是m o t o r o l a 公司的3 2 位处理器p o w e r p c7 5 0 ，采用c o m p a c t p c i 总线进行传输， 主处理器之间的串行通信由手指内部的f p g a 负责并由m o s f e t 驱动电机实现对手指关 节的控制。 图1 4h i t a c h i 手 图1 5s t a n f o r d j p l 意大利热那亚大学在9 0 年代末研制成功了d i s t 手 t 0 , ts 】，如图1 7 所示。它由连杆机 构组成，具有4 个手指和1 6 个自由度，而且4 个手指的结构相同，灵巧手的尺寸与人手 相仿。以5 个直流电机作为手指内部驱动元件，带动6 根腱来实现灵巧手的运动。 图1 6 美国n a s a 手图1 7 意大利d i s t 手 德国宇航中心基于全数字机电集成的思想在1 9 9 8 年成功研制了d l r i 手 1 2 - 1 3 】，如图 1 8 所示。d l r i 灵巧手以人手的构造和能够实现的功能为基础进行设计，它由四个手指组 成，每个手指的机械结构相同且有四个关节，以微型直线驱动器作为关节内部驱动元件。 与以往研制的灵巧手相比，d l r i 手的驱动器较小，并且传感器较多。 2 0 0 0 年，德国宇航中心设计了d l r i i 多指灵巧手【1 4 - l8 1 ，如图1 9 所示，它继承了 4 浙江理工大学硕士学位论文 d l r i 手模块化结构特点。d l r i i 同样具有四个相同结构的手指，以无刷直流电机作为 手指内部驱动元件，并通过谐波减速器减速以及齿形皮带传动，每个手指都集成了与位置 和力相关的传感器，实现了灵巧手的位置和力等闭环反馈控制。 英国s h a d o w 机器人公司的r i c hw a l k e r 等人开发了五指灵巧手一s h a d o w 手【1 9 】，与人手 高度相似，共有2 4 个自由度，如图1 1 0 所示。通过位置、触觉及压力传感器来感知外界 环境，以此作为灵巧手运动的约束条件，采用气动肌肉作为驱动并将驱动部分及电气部分 等放置在前臂内，采用绳索传动的方式进行运动传递。主机采用l i n u x 操作系统完成灵巧 手的运动规划并发送指令，从机采用单片机实现整个控制系统的控制，通过c a n 总线与 主机相连。 图1 8d l r i 手图1 9u l 田d l r i i 手图1 1 0 英田s h a d o w 手 日本g i f u 大学的h a r u h i s ak a w a s a k i 等人研制了g i f ui 、g i f ui i 和g i f ui i i 手 1 9 - 2 3 ， g i f ui i i 手如图1 11 所示。它由5 个手指组成，拇指有4 个关节，每个关节对应1 个自由 度，每个关节由一个驱动元件实现驱动；其余4 个手指各有3 个自由度，手指末端的两个 关节耦合并由一个电机驱动，一共有1 6 个自由度。整个控制系统由p c 机，计算电路、a d 转换电路、d a 转换电路及接口电路组成，通过p c 机a r t - l i n u x 操作系统实现g i f ui i i 手的控制。 1 2 2 国内灵巧手及驱动器研究现状 2 0 世纪8 0 年代后期，我国的很多研究机构对多指灵巧机械手开展了大量的研究工作， 特别是北京航窄航天大学和哈尔滨工业大学，北京航守航天大学于1 9 9 3 年研制了我国第 一只三指灵巧手，然后在此基础上先后研制出了b u a a i 、b u a a i i 、b u a a i i i 三指手1 2 4 1 和b u a a 一4 四指手 2 5 1 ，b u a a i i i 三指手如图1 1 2 所示。b u a a 4 四指手具有四个手指且 结构相同，共有1 6 个自由度，由直流伺服电机驱动关节转动。其整个控制系统包括p c 机、 2 个9 通道d s p 卡，通过p c 机向d s p 卡发送控制命令，并由d s p 卡驱动电机以及采集 弧虞l 浙江理工大学硕士学位论文 传感器信号。 图1 1 1 日本g i f ui i i 手图1 1 2b u a a i i i 2 0 年代末，哈尔滨大学机器人研究所与德国宇航中心合作，对多指手进行研究，并在 2 0 0 1 年研制出了h i t d l ri 2 6 , 2 7 ，如图1 1 3 所示。h i t d l ri 手中含有大量的位置、力 力矩传感器，并通过位置和力的闭环反馈控制实现了精细的抓取操作，并针对一些物体对 象进行抓取【2 3 】。手指关节使用电机驱动，电机的控制由e p i c 6 t 1 4 4 c 8 和s i 9 9 7 9 芯片实现。 哈尔滨工业大学在2 0 0 8 年成功研制了h i t d l ri i 五指灵巧手 2 9 , 3 0 ，如图1 1 4 所示。 h i t d l ri i 多指灵巧手由5 个结构相同的手指和一个手掌组成，每个手指有4 个关节，共 有1 2 个自由度，远端关节和中端关节通过连杆耦合而成。关节使用无刷直流电机驱动，由 手指内部的d s p 控制器和手掌内部的f p g a 相互配合实现手指内三个电机的控制。 图1 1 3h i t d l ri 灵巧手图1 1 4h i t d l ri i 灵巧手 1 3 基于数据手套的主从控制系统的研究现状 1 3 i 主从控制的现状 灵巧机械手的主从控制相对于由p c 机直接控制灵巧机械手，有了很大的进展，并提高 6 浙江理工大学硕士学位论文 了控制的方便性和灵活性，可以由人通过数据手套来直接操作机器人或灵巧机械手的运 动，增加了控制的直观性、灵活性和实时性。因此加深对机器人的主从控制的研究是必要 的。国外对使用数据手套实现主从控制的方面做了很多的研究。 k i y o s h ih o s h i n o 等人使用数据手套控制自主研发的灵巧机械手，如图1 1 5 所示。数 据手套有2 0 个自由度，灵巧机械手有8 个自由度，数据手套与灵巧机械手的自由度不匹配， 目的是想要通过使用一定的算法实现输入设备如数据手套与输出设备如灵巧机械手之间 的自动匹配【3 l 】。 n g h i ax t r a n 等人使用无线数据手套控制一个如爪形的灵巧机械手，如图1 1 6 所示。 数据手套上的传感器获取人手关节的模拟信号，经过手臂上的处理器转换成数字信号，然 后通过无线电发送给灵巧手，以实现爪形手的握拳、照相以及抓取物体等姿势【3 2 1 。 图1 1 5 数据手套和灵巧手 。 - - _ 。乒- 一 图1 1 6 无线手套和爪形手 r o z a w a 等人创建了一个基于数据手套的监督控制系统，此系统中数据手套作为主 机，灵巧机械手和控制器作为从机，从机部分具有闭环反馈，因此主控制器能够根据主机 发送的数据控制灵巧机械手稳定的抓取物体【3 3 1 ，并实现灵巧机械手的预抓持手势，抓持以 及定位操作，如图1 1 7 所示。 图1 1 7 监督控制系统 图1 1 8 机械臂主从控制 m a r c e l or o m e r oh u e r t a s 等人使用数据手套实现了机械臂的遥控制，如图1 1 8 所示。机 械臂由基关节、肩关节、肘关节和腕关节和一个抓持器构成，根据数据手套采集的数据定 制机械臂的通信协议，通过操作数据手套做一些指定的动作来实现机械臂的肘关节的弯曲 和转动以及末端抓持器的开和张【3 4 】。 浙江理工大学硕士学位论文 j u n j i ez h a n g 等人通过数据手套和p c 机的协作实现了机械臂的控制，并通过虚拟场景来 进行辅助操作3 5 1 ，传统上的灵巧机械手软件控制是操作者通过计算机向灵巧机械手发送控 制指令来实现灵巧机械手的控制，而j u n j i ez h a n g 等人通过数据手套实现了灵巧机械手的控 制，并通过计算机上的虚拟场景来辅助控制，可以在人眼看不到的环境中进行工作，提高 了灵巧手运用的适应性，系统控制框图如图1 1 9 所示。 p o o n gw o oj e o n 等人通过一个外骨骼类型的运动捕捉设备来远程控制拥有两个手臂 的机器人，并对运动捕捉系统进行运动学和动力学分析，并模拟仿真了运动捕捉设备的运 动空间【3 6 】，如图1 2 0 所示。 c o n t r o le t e t _q 硝纠协rs o f t a m r os y s t m 。a 八 哥 b m 曼 拿 l o c 岫n 塞 竺型爱 妇 。善 v u i ； f - 嚣b 疃 盛 基 哥 节飞 吾 q v _ 譬， o f 出 暮 墨 u 岙 图1 1 9 主从控制框图 图1 2 0 机器人主从控制 n u t t a p o nb o o n p i n o n 等人使用数据手套实现了多重机器人与人之间的交互，通过人手 姿势获取控制机器人的参数【3 7 】。 1 3 2 影响灵巧手主从控制精度的因素 影响灵巧手主从控制精度的因素有很多，从整个主从控制过程上看影响的因素主要由 三方面： ( 1 ) 设备本身误差，如数据手套的测量误差及传递信号过程中信号干扰造成的误差 【3 8 3 9 1 o ( 2 ) 人手与灵巧手的映射算法，不同的映射算法有不同的映射精度，同时人手与灵巧手 之间的映射有时会出现逆运动学求解得不到结果的情况【删。 ( 3 ) 灵巧机械手驱动元件的影响，选用不同的驱动元件，分辨率不同，控制方式不同， 抓取精度和稳定性也不同。 1 3 3 发展趋势 现在的灵巧机械手及机器人的主从控制主要是有线连接和近距离遥控制，并且控制对 象多样化，使用数据手套操作不同于人手的机械结构，如机器人、机械臂、轮椅以及其它 的一些机械机构，通过定义人手的姿态来给机械结构定义相对应的运动状态，随着科技的 浙江理工大学硕士学位论文 发展，灵巧机械手以及机器人的主从控制会从有线连接和近距离遥控制转变为远距离的遥 控制，通过i n t e m e t 等一些网络来实现灵巧机械手及机器人的远程控制。 1 4 本文研究目标及主要内容 国内外已研制出了各种各样的多指灵巧手，在灵巧手的内部或外部设有灵巧手的控制 部分和运动传递部分，但是，在灵巧手精确控制方面使用传感器的居多，模拟信号大量存 在，在一定程度上造成模拟信号之间的干扰；传动部分在传动过程中因传动误差累计等因 素造成整个控制系统的误差。 本文的研究目标：从机械结构和驱动方面介绍自主研发的全驱动灵巧机械手，依据本 灵巧机械手的驱动元件设计相应的控制电路板，实现由p c 机控制灵巧机械手，并测试控 制电路板的性能，然后使用数据手套获取人手运动的数据以及实现p c 机与主控制器之间 的通信，在此基础上实现数据手套和灵巧机械手的结合，从而实现由数据手套直接操纵灵 巧机械手的运动。 本文的主要研究内容与组织结构如下： 第一章：介绍灵巧机械手课题的研究背景、意义及目的，在此基础上阐述了国内外灵 巧手以及灵巧手内外部驱动元件的研究现状，并综述了国外研究工作人员基于数据手套对 机器人、机械臂等一些机械结构进行控制的研究现状，并确定了本文的研究目标以及论文 的结构框架。 第二章：基于p c 机对灵巧机械手的控制，首先根据选用的驱动元件步进电机设计控 制电路板，包括电路板中主控制器、驱动芯片、调压芯片以及其他元器件的选择和电路板 的设计制造，然后设计主控制器中的程序，从软件上实现对灵巧手的控制，并通过实验测 试电路板。 第三章：基于数据手套的数据采集及串行通信，使用数据手套本身携带的库函数来获 取每个手关节的数据，并在p c 机上将数据经数据手套消抖算法、映射算法和一些格式算 法处理后转化为灵巧手识别的数据，然后创建串口将数据发送给控制电路板。 第四章：主从控制系统的实验测试，实现数据手套与主控制器间的数据传输，将数据 手套部分与灵巧机械手控制部分结合在一起，使用数据手套控制灵巧机械手实现特殊手姿 的运动，分析整个主从控制系统的实时性，提出影响控制精度的因素以及解决方法。 。 第五章：总结和展望 9 浙江理t 大学硕十学位论文 2 1 引言 第二章基于p c 机的灵巧机械手控制 基于p c 机的灵巧机械手控制是整个主从控制系统的部分，本章介绍了灵巧机械手 的本体结构以及灵巧机械手的驱动元件，设计了控制电路板，并进行相应的实验测试，控 制灵巧机械手实现了“o k ”、兰花指和“v 三种手姿。 2 2 灵巧机械手本体结构 介绍了自主研发的灵巧机械手的机械本体结构，各个关节的布置，自由度的分布以及 各个关节驱动元件的放置和排序情况。 控制系统的对象是自主研发的全驱动灵巧机械手，全驱动灵巧机械手由5 个相同结构 的手指和一个手掌组成，大拇指设计成垂赢可移动式，放置在手掌底部并与其它四指对应， 每个手指有三个主动关节：掌骨关节( m p ) 、 和2 2 分别为灵巧机械手的模型图和实物图， 的放置。 近端关节( p i p 和远端关节( d i p ) 。图2 1 图中以拇指为例介绍了关节的布置以及电机 拇指远端关节 拇指近端关节 拇指掌骨关节( 侧摆) 拇指掌骨关节( 弯曲) 电机1 电机6 电机1 1 电机1 6 电机1 电机6 电机”电机1 6 图2 1 模型图 图2 2 实物图 全驱动灵巧机械手一共有2 0 个主动自由度，每个手指有四个主动自由度，三个弯曲自 由度和一个侧摆自由度，三个关节对应四个主动自由度，远端关节d i p 和近端关节p i p 分 别对应一个弯曲自由度，掌骨关节m p 对应一个弯曲自由度和一个侧摆自由度。步进电机 放置在手指内部，每个自由度方向一i ：的关节运动都通过一个步进电机驱动一对斜齿锥齿轮 l o 浙江理工大学硕士学位论文 实现，两个斜齿锥齿轮的传动比为1 。以拇指为例，机械结构和自由度如图2 3 所示。 弯曲自由度侧摆自由度弯曲自由度弯曲自由度 掌骨指节 电机1 近指节 电机6电机11 中指节远指节 电机1 6 2 3 多指灵巧手驱动元件 m p p i pd i p 图2 3 灵巧机械手单指结构 灵巧机械手主要有驱动系统和机械结构两部分组成，而驱动系统在很大程度上影响灵 巧机械手的运动精度、稳定性以及可操作性。驱动元件是驱动系统的重要组成部分，用来 驱动手指关节的运动和产生手指关节的力。目前，大多数灵巧手采用电驱动、电液驱动、 气压驱动以及形状记忆合金等传统的驱动方式 4 1 , 4 2 j ，电驱动是机器人及其灵巧手领域应用 最广泛并且技术最成熟的驱动形式，直流电机、直流伺服电机、盘式电机等已经得到广泛 的应用，而本文使用步进电机来实现灵巧机械手的驱动及控制。 2 3 1 步进电机及选取 步进电机的工作原理是将脉冲信号转变为角位移或线位移。在负载较小的情况下，步 进电机的转速、位置取决予发送脉冲信号的频率和脉冲个数，而不受负载变化的影响。当 步进驱动芯片接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机转过一个固定的角度，称为“步距 角”。常用的步进电机包括反应式步进电机( v r ) 、永磁式步进电机( p m ) 和混合式步进电机 ( h b ) 三种。 ( 1 ) 永磁式步进电机，永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7 5 浙江理工大学硕士学位论文 度或1 5 度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。 ( 2 ) 反应式步进电机，反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1 5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小，但 是动态性能差。 ( 3 ) 混合式步进电机，混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点， 它的步距角小，力矩大，动态性能好，是目前性能最高的步进电机。它分为两相和五相： 两相步进角一般为1 8 度而五相步进角一般为o 7 2 度。这种步进电机的应用最为广泛【4 3 4 5 1 。 根据上述三种步进电机综合考虑，本文选用应用广泛的混合式步进电机，型号如表2 1 所示。型号为1 1 h y 3 0 1 2 和8 h y 2 0 1 1 0 的步进电机分别实现灵巧机械手掌骨关节的弯曲 和侧摆驱动，型号为8 h y 2 0 1 1 0 的步进电机实现灵巧机械手近端关节的驱动，型号为 8 h y 0 0 1 2 b 的步进电机实现灵巧机械手远端关节的驱动。根据电机的尺寸设计了灵巧机械 手的结构，并在设计完灵巧机械手的基础上对步进电机的驱动能力进行校核，保证步进电 机能够驱动灵巧机械手运动。依据选用的步进电机设计出的灵巧机械手本体如图2 1 所示。 根据灵巧机械手及电机的参数计算每个电机应有的驱动能力，并校核确定计算得到的 力矩值在电机的额定驱动能力之内。电机驱动能力在灵巧机械手设计时已经校核，确定能 够驱动灵巧机械手的每个关节转动。本文选用了三种不同型号的步进电机，电机参数如表 2 1 所示： 表2 1 三种电机型号及参数 2 3 2 电机的布置及排序 灵巧机械手中每个自由度方向上的运动都由一个步进电机驱动，为了方便灵巧机械手 的运动控制，把灵巧手手指内部的步进电机进行排序，步进电机的排序如表2 2 。 浙江理工大学硕士学位论文 表2 2 电机捧序表 2 4p c 机对灵巧机械手控制的硬件框架图 闭黥瞄 p c 机 2 5 控制系统电路板的硬件设计 控制板灵巧机械手 图2 4 硬件框架 为了实现灵巧机械手的控制，设计了基于步进电机的控制电路板，接收由p c 机发送 浙江理工大学硕士学位论文 的控制指令并解析、分配给2 0 个对应的步进电机驱动芯片，以控制步进电机转动。该控 制板集成了主控制器、电机驱动模块、u s b 接口模块、电源接口、j t a g 接i = 1 、复位电路 以及一些外围元器件。控制电路板的设计包括原理图的设计、p c b 板的设计以及p c b 的 制造。设计的电路板如图2 5 所示，整个电路板的原理图如附图l 。 图2 5 电路板 1 主控制器；2 电机1 5 的驱动芯片；3 电机6 1 5 的驱动芯片 4 电机1 6 2 0 的驱动芯片；5 l m 2 5 9 6 ；6 u s b 接口 2 5 1 主控制a t x m e g a l 2 8 a 1 主控制器用来对p c 机打包发送过来的数据进行解析，分配给每个步进电机驱动芯片 a 3 9 7 7 。a 3 9 7 7 接收到步进电机的控制信号后，驱动步进电机转动实现灵巧机械手同步运 动。每个驱动芯片需要主控制发送两个控制信号，一个脉冲信号，一个转向信号，这样2 0 个步进电机需要4 0 个控制信号，控制信号由主控制器内部产生并由i o 口发出，本文选择 a t x m e g a1 2 8 a l 来实现对2 0 个步进电机的控制【蚓。a t x m e g a l 2 8 a l 是8 1 6 位a v r x m e g a 系列微控制器，1 2 8 k b 字节f l a s h ，8k b 字节s r a m ，2 k b 的e e p r o m ，7 8 个可编程i o 口，8 个1 6 位的定时器计数器，其中四个定时器计数器各有4 个输出比较输入捕捉通道， 其余的四个定时器计数器各有2 个输出比较输入捕捉通道，8 个异步串行通信接口，而且 具有性能高、功耗低、处理数据速度快等优点。其结构示意图如图2 6 所示。 浙江理工大学硕士学位论文 晰基萋星墓垂塞墓宝雪蓦| | 歪莹蛩萤萝宝莹窑琶星凄星星叠，如 o p a n t d 蚕囊蛩蚕蚕o v n d c c o v c c n d a 姗e g a l2 8 a i _ a u 篇 p d 0 pf6 歪荟荟荟荟荟荟兽莹莹重密謦釜翟釜容昌莹量匠星显薹釜 图2 6a t x m e g a l 2 8 a l 引脚结构示意图 图2 6 中的电源引脚a v c c 为模拟供电电压，通过电感与v c c 相连；v c c 为数字供 电电压，由a s l1 1 7 3 3 v 提供一个3 3 v 的稳定工作电压；g n d 接地。 本系统中除了使用上述i o 提供电源外，还使用4 0 个i o 口的输出功能控制2 0 个步 进电机，a t x m e g a l 2 8 a 1 有7 8 个i o 口，所以在选择上比较方便、灵活。表2 3 为 a t x m e g a l 2 8 a ! 控制步进电机所需的i o 口以及i o 的作用。 表2 3i o 口使用情况 竹一一竹一”一一加一的一僻一盯一：g打一“一 浙江理工大学硕士学位论文 续表 除了用到了上述i o 口的基本输入输出功能实现电机的控制，还使用一些i o 口提供 j t a g 接口、主控制器复位、异步串行通信等功能，如表2 4 所示。 点： 表2 4 主要i o 口第二功能 主控制器a t x m e g a l 2 8 a 1 在整个灵巧机械手主从控制系统中实现的主要功能有以下几 ( 1 ) 数据通信。通过u s b 接口接收由p c 机打包发送过来的数据，通过c r c 校验验证 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 数据的正确性，如果数据正确，则将数据接收并存放在寄存器中。 ( 2 ) 驱动步进电机。解析p c 机打包发送过来的正确数据，并分配控制信号给2 0 个微型 步进电机，使得a 3 9 7 7 内部的双d m o sh 桥工作，进而控制步进电机转动。 ( 3 ) 实现步进电机的调速。通过a t x m e g a l 2 8 a 1 的内部设置定义脉冲周期，周期越短， 发送脉冲的频率越高，步进电机转速越快。低速运动时步进电机的转矩相对较大，随着速度 的增加，步进电机的转矩会逐渐减小，因此调节脉冲频率使其低速运动，本文设置的步进 电机转速为5 r s ，计算如公式2 - ( 1 ) 。 r l = f ( p w m ) 1 s ( n ( p e n + 1 ) 3 6 0 )2 - ( 1 ) 式中刀为步进电机的转速；f ( p w m ) 为主控制器外部时钟频率3 2 m h z ；n = 2 为分压 分频器：p e r = 1 5 9 9 9 为自定义的周期。 2 5 2 步进电机驱动模块 在步进电机型号确定的情况下，根据选用的步进电机来选择驱动芯片，以便能够驱动 步进电机正常工作。根据步进电机的电压、电流等条件选择合适的驱动芯片，所选用的步 进电机的额定电压、额定电流如表2 1 所示。设计时为了保证电路板的实用性，因此，在 选择驱动芯片时保证芯片的统一性。 采用a 3 9 7 7 47 j 作为步进电机的驱动芯片，其额定电压3 7 v 、额定电流为2 5 a 。a 3 9 7 7 是一种专门用于双极型步进电机的集成电路，其内部集成了步进和直接译码接口、正反转 控制电路、双h 桥驱动，最大输出功率可接近9 0 w ，主要功能包括：自动混合模式电流 衰减控制，p w m 电流控制，同步整流，低输出阻抗的d m o s 电源输出，全、半、l 4 及 l 8 步进操作，h o m e 输出，休眠模式以及易实现的步进和方向接口等。a 3 9 7 7 的应用 电路结构简单、使用及控制方便，有着极其广泛的应用价值。 所选用的步进电机的电压以及电流都低于a 3 9 7 7 驱动芯片的额定电压和额定电流，因 此，a 3 9 7 7 驱动芯片符合设计要求。其最简单的步进输入只需“s t e p ”( 步进) 和“d i r ( 方向) 2 条输入线，接收a t x m e g a l 2 8 a 1 由i o 口发出的信号如表2 3 ，输出由d m o s 的双h 桥完成。a 3 9 7 7 内部有两组h 桥，用来对步进电机进行驱动，每一组h 桥驱动步 进电机的一组线圈绕组，通过引脚s t e p 输入的一个脉冲就可以使步进电机完成一次步进， 通过引脚d i r 的控制信号实现步进电机的正反转运动。 图2 1 2 是一组h 桥驱动，开始通电时图中t l 、t 4 导通，电流从o u t a 流向o u t b ， 1 7 浙江理工大学硕士学位论文 当a 相绕组反向导通电压跳到高电平时图中t 2 、t 3 导通，电流从o u t b 流向o u t a ，这 样电流通过t l 、t 2 、t 3 、t 4 及步进电机内部绕组构成闭合回路。通过a 3 9 7 7 内部的双h 桥的a 、b 、a 、b 循环通电使得步进电机转动。图2 7 为以其中一个驱动芯片为例的步进 电机驱动电路图，图中o u t l a 、o u t l b 、o u t 2 a 、o u t 2 b 与步进电机相连，方向信号 d i r 与a t x m e g a l 2 8 a 1 的p e 6 引脚相连，步进信号s t e p 与p c 4 引脚相连，睡眠信号s l e e p 与p d 6 引脚连接，复位信号r e s e t 与p d 7 引脚相连，v c c l 为步进电机提供工作电压， 由l m 2 5 9 6 供给，由a s i1 1 7 3 3 v 为驱动芯片逻辑电压和参考电压v c c 提供3 3 v 电压， a s l l l 7 3 3 v 电路连接如图2 9 所示。 2 5 3 电源的供给 图2 7 驱动模块电路图 因为三种步进电机的电压要求不同，提供的电源不同，本文选用l m