具有力感知功能的多指灵巧手控制检测系统设计毕业设计说明书.doc

具有力感知功能的多指灵巧手控制检测系统设计毕业设计说明书第1章 绪论1.1 题目的来源及研究意义随着知识经济时代的到来，高技术已成为世界各国争夺的焦点，机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国政府的重视，并且得到了巨大的发展和广泛的应用，在工业生产、太空和海洋探索、国防建设以及人民生活的许多领域都产生了重大影响。但是，随着它越来越广泛的应用，机器人作业环境和执行任务的精细和复杂化程度也变得越来越高，普通机器人以及与其配合的各种简单的末端夹持装置已远远不能满足航天作业、深海作业、核工业技术以及其它柔性生产线上各种灵巧和精细操作任务的要求,人们期待着能够将一种通用的、智能化的、能适应各种复杂工作需要的末端操作装置与机器人组装起来，协调完成各种复杂和精巧的工作任务。在这种背景下，机器人多手指灵巧手成为机器人研究领域的热门研究方向之一。多指灵巧手是一种仿人手、具有多自由度和多种感知功能、能够完成复杂的抓取动作的机器人手。它能够抓取不同形状、大小、材质的物体，还可以对所抓持的物体进行一定幅度的多种精细操作。用它代替专用的机器人末端执行器，可以提高机器人的作业范围和作业能力。具有多种感知功能的机器人多指灵巧手将有很好的应用前景。例如，欧美各国正在尝试依靠空间机器人从事空间站物品搬运和装配、空间站维修以及沉船打捞、海上救生、光缆铺设，还有空间资源勘探和开采等工作。而机器人多指灵巧手对于提高空间机器人的工作能力具有重要意义；将来还可以尝试将机器人灵巧手用于战场探雷和排雷、核工业设备的检测和修理等危险作业。此外，仿人机器人灵巧手还可以应用在残疾人用假手、老人院生活服务等领域。1.2 国内外机器人多指灵巧手的发展概况1.2.1 机器人多指灵巧手的发展历史机器人灵巧手的研究是从假肢开始的。1509年，人们为在战争中失去一只手的年轻武士Berlichingen制作了通过弹簧驱动的假手。这只假手在战斗中很有用，但在日常生活中却很不方便。在Berlichingen手之后人们又相继研究了许多假手，其中几种至今仍然可用。它们中有些是被动型的（使用弹簧），有些则是主动型的（通过臂部的弯曲或耸肩进行控制）；有的可以随意锁合，有的则不能随意锁合。Chilidress将这些手划分为装饰型、被动型、身体驱动型、和外部动力型四种。其中动力型手从1920年开始流行，但其广泛应用却是从20世纪30年代开始的。由Tomovic和Boni研制的Belgrade手最初是为南斯拉夫的一位因伤寒失去手臂的人设计的。它被认为是世界上最早的灵巧手。图1.1 Okada灵巧手早期灵巧手的典型代表是1974年日本研制的Okada手，如图1.1所示。它是一个由电机驱动、通过绳索和滑轮实现运动及动力传递的三指手，该手有3个手指和1个手掌，拇指有3个自由度，另外两个手指各有4个自由度。这种手的灵巧性比较好，但由于拇指只有3个自由度，还不是最灵巧的手。另外，在结构上，各个手指细长而单薄，难以实现较大的抓取力和操作力。它具有关节角度、力和接近觉传感系统，采用计算机分时控制方案，可完成螺母的拧紧装配作业。20世纪80年代以来，机器人技术飞速发展，应用领域不断扩大，很多国家加强了机器人多指灵巧手的研制开发，并取得了许多有应用价值的成果。相继又有一批著名的灵巧手问世。1.2.2 国外机器人多指灵巧手的发展现状图1.2 Utah/MIT手美国麻省理工学院和犹他大学于1985年联合研制成功的Utah/MIT手是一种拟人化的灵巧手，如图1.2所示。Utah/MIT手采用了模块化设计，4个手指（拇指、食指、中指和无名指）完全相同。每个手指有4个自由度。手指的每个关节采用气动伺服缸作为驱动元件。由腱（绳索）、滑轮进行远距离传动，16个位置传感器装在每个关节上，32个腱张力拉紧传感器装在腕后面。目前这个多指手主要用在实验室用来进行各种研究用。它的主要问题是关节自由度太多，控制太复杂，难以实现实时在线控制。所以，还没有得到实际应用。图1.3 Stanford/JPL手美国斯坦福大学的学者J.K.Salisbruy研制的Stanford/JPL手，也是一种非常具有代表性的多指灵巧手。无论在多指手系统设计还是在理论研究上都有重大意义。如图1.3所示。这种手没有手掌，共有3个手指，每指3个关节，拇指相对另两个手指而立。手指采用12个直流力矩电机作为关节驱动元件，手指内采用的也是腱、滑轮传动方式。这种手的自由度较少，易于设计、制造和控制。具有位置和力的传感系统，由改造后的两套PUMA260机器人控制器构成，以一台VAXII-750为中央处理器。主要用作多指手设计和控制的研究工具，可完成多种物体抓持和翻转棍棒等动作。日本在1984年研制成功了Hitachi手，如图1.4所示。Hiatchi手有3个4自由度的手指和1个拇指，每个手指需要12个驱动器。该手的显著特点是采用了形状记忆合金（Shape Memory Alloy）驱动方式，具有速度快、带负载能力强等优点，但是与其他金属一样，存在着疲劳和寿命等问题。图1.4 Hitachi灵巧手图1.5 DLR手20世纪90年代以后，以德国和意大利为代表的欧洲在灵巧手研究方面做了许多工作，这个时期的典型代表是意大利研制的DIST手、UB手和德国宇航中心研制的DLR手。其中，德国宇航中心研制的DLR手被公认为迄今为止世界上最为复杂、智能化和集成化最高的仿人机器人多指灵巧手。如图1.5所示。DLR手由手掌和4个完全相同手指（3个手指和一个相对放置的拇指）组成。每个手指有4个关节。其中，末端的两个关节同人手类似，存在着机械耦合，使用一个驱动器进行驱动。基关节使用两个驱动器,实现2个方向的运动。DLR手使用微型直线驱动器作为驱动元件，所以它可将所有的驱动器集成在手指或手掌中，减少了手指的尺寸，同时使腱的传动距离缩短，提高了动态响应。DLR手在每个手指上集成有28个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器、速度传感器和温度传感器等。整个手由1000多个机械零件及1500多个电子元件组成。美国国家航空和宇航局约翰逊空间中心于1999年研制成功的NASA多指灵巧手是一种用于国际空间站上进行舱外作业的装置，NASA手由1个用于安装电机和电路板的前臂、1个手腕和5个手指组成，共有14个自由度。除了拇指只有两个关节以外，其它4个手指各有3个关节，其中，末端的两个关节通过连杆进行运动的传递。NASA手使用12个无刷直流电机实现整个手的驱动。除了触觉以外，整个手共有43个传感器。该手在外形和尺寸上与人手相似，且有冗余关节，在机器人灵巧手领域得到了一致的认同。此外，国外还有加拿大多伦多大学机器人和自动化实验室研制的Puma/RAL手、英国南爱普顿大学研制的Southampton手、日本的全电动式手TDH51-1、Kobayashi手和按键盘的手、意大利的Rovetta手。1.2.3 我国机器人多指灵巧手的发展现状在国内，对灵巧手的研究从20世纪80年代后期开始。北京航空航天大学机器人研究所先后研制开发了BH-1、BH-2、BH-3三种型号的3指9自由度机器人灵巧手。如图1.6所示的BH-3手是一种仿Stanford/JPL手。这种手由于每个手指的自由度只有3个，在抓取物体时，抓取点（指尖位置）一旦确定后，其抓取姿态就唯一确定。因此，实际上手指没有冗余关节，也就没有抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧的抓取和操作。现在研制的BH-4型灵巧手为拟人型4指16自由度手，其自由度接近人手。BH-4型灵巧手划分为手指、手掌和机械接口三个模块。如图1.7所示。手指的主要功能是执行灵巧操作，其运动学结构类似人的手指；手掌主要决定手指的相对位置分布，改变手掌的设计可以获得拟人或非拟人手；机械接口用于确定手与臂的连接，改变机械接口可以使灵巧手适应不同的机械臂。其关节由包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。图1.8 HIT-1手图1.7 BH-4手图1.6 BH-3手北京科技大学也研制了一种多指灵巧手，这种手有3个手指，第1和第3指分别有5个自由度，第2指有4个自由度。这种手的外形显得比较笨拙，自由度也过多，增加了控制的难度。显然，在结构上是需要大大地加以改进的。哈尔滨工业大学研制开发的HIT-1型手, 如图1.8所示。是一种仿DLR手,HIT-1手由4个完全相同的手指组成。其中1个是大拇指，每个手指由4个转动关节，同人手一样，手指末端的两个关节是机械耦合的，即通过一个驱动器进行驱动。HIT-1手具有力感、位置感和温度感等多种感知功能。HIT-1手采用微型直线驱动器和腱传动系统相结合的方式实现手指的驱动。该直线驱动器将微型无刷电机、旋转直线转换机构和位置感知功能融为一体，减小了手指的尺寸。1.3 论文主要完成工作本课题主要是研究三指灵巧手的控制系统。课题主要研究内容如下：针对三个手指九个自由度的灵巧手结构，设计其控制检测系统，使其能对9个直流电机实施良好的驱动，并能对所反馈回的9路编码盘信号和三路力传感信号进行处理，最后通过串口进行通讯。 课题任务的具体要求: 对整个装置的设计，大致可分为以下几部分进行：1，控制系统部分 针对所提供的直流电机，设计其控制系统。 2，检测系统设计 针对9路编码盘信号和3路力传感信号，设计检测系统，能完成对系统的实时检测。3， 通讯系统设计 需将所处理后的信号传送到上位机系统。第2章 三指灵巧手控制系统总体方案设计2.1 系统原理分析本设计要求研制的灵巧手能仿人手灵活地对不同形状、不同材质的物体进行抓持，能够完成比较复杂的精密装配和进行细微的空间操作。如能完成抓网球，杯子等操作。本设计研制的三指九关节灵巧手系统共有3个手指9个关节，9个直流伺服电机，9套位置传感器，3个指尖力传感器。本章对三指灵巧手的控制系统进行设计，控制系统是通过控制电机的转动来控制关节位移量的，由于电机的转动量与相应关节的位移量之间存在固定的对应关系，通过控制直流伺服电机的转动量就可以实现对灵巧手手指位置的控制。系统的总体工作原理框图如图2.1所示。 图2.1 控制系统工作原理框图对于图2.1中虚线框部分，主要完成直流电机的伺服驱动，以及位置信号的采集、处理等工作。伺服驱动要求有较高的工作精度，并且调速性能好，响应速度快。一般采用直流伺服驱动器或是驱动电路两种方法。采用直流伺服驱动器能够缩短研究开发周期、简便、并能够提供位置信号。但是它存在的问题是信号采集过程中信号不够稳定，不能精确反应电机实际位置；如果采用驱动电路，位置信号就要通过设计位置检测电路来获得。这样的信号能准确及时的反映电机轴的转角变化，但是控制系统复杂，开发难度大。2.2 设计方案2.2.1 控制系统总体设计本方案采用了瑞士Maxon公司生产的直流伺服驱动器ADS50/5,它对直流伺服电机的PWM控制性能十分良好，并且能够提供一个模拟量的位置信号。对于我们的控制系统设计来说，只要提供给驱动器工作电压和电机驱动控制电压即可以控制电机转速，从而实现关节位置控制。灵巧手在抓取和操作前，要进行被抓物接触点位置确定、抓取构形分析判断、三指手正逆解求解、轨迹规划等复杂运算。这需要很长时间。在抓取和操作过程中，要进行电机转速控制、关节位置检测控制、指端力觉检测等，其中有的控制必须同时进行。基于上述性能特点，在三指灵巧手实际作业时，要求控制系统有很高的实时处理能力，高的可靠性，并有对多路模拟信号进行处理的能力。由此看来，以传统的单一微处理器作为控制器的控制方法已难以胜任三指灵巧手的控制。现在，分级式计算机控制系统在机器人控制领域中已经得到了广泛的应用，特别是在控制系统大、任务多、控制对象复杂的以及要求控制系统实时性高的情况下，分级式控制系统显示出了独特的优越性。因此，在国内外典型的灵巧手控制系统中也大多采用分级式控制系统。Utah-MIT手的控制系统采用了多处理器并行计算的方案：它将整个控制分为三个层次：单关节控制、三关节的手指控制和多手指的协调控制。它以UN-3/160作主机，进行整个控制系统的管理，用于文件管理和软件开发。从机选用Motorola的单片机M68020。以高速VEM总线与从机通讯；又如Stanford-JPL手的控制系统由改造后的两套PUMA260机器人控制器构成其中包括12个电机伺服处理器。中央处理器由一台VAXII-750负责上层控制；国内由北航研制的BH-1型灵巧手的控制系统也采用两级多CPU集散型控制系统，其中主控器采用了IBM PC/XT微机，主要用来进行系统管理和运动控制软件的计算，从级处理器由三片MCS-51单片机组成，主要进行电机的位置控制,主控微机通过公用存贮板与从级处理器通讯，从级处理器与辅算CPU之间的通讯通过辅助计算机板上的公用存贮器来完成。根据本课题的工作要求以及借鉴典型控制系统经验，三指灵巧手的控制系统，无论在结构还是在功能上都必须是按层次划分的分级式控制系统。本文设计控制系统的总体方案为两级计算机控制系统。控制系统框图如图2.2所示。 图2.2 控制系统框图系统的第一级为主控微机（上位机）。选用PC主机作为主控级处理机，主要完成灵巧手轨迹规划、实时插补、三指协调的力/位置混合控制算法、故障诊断和人机对话等任务。系统的第二级是直接控制计算机（下位机）。它主要对各伺服电机进行驱动控制；对数据采集系统的数据进行处理、对位置传感量采取一定的控制算法进行计算；并能通过通讯接口实现上下位机通信。下位机我们选用89C51单片机。89C51本身带有2K的内存储器。可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS-51系列单片机的所用功能。它完成对电机的驱动控制及传感器数据的采集等工作。其主要电路包括信号采集电路、电机驱动电路、力传感器的信号处理电路、通讯电路。还有复位电路、时钟电路以及地址扩展译码电路等单片机外围的一些电路。2.2.2信号采集及处理系统三指灵巧手控制系统要求有较高的采样精度和采样速度，本信号采集系统实际上是整个灵巧手控制系统的一部分，所以其设计必须和整个控制系统一致。而采集系统除了要完成数据采集任务外，还要对所采集的数据进行处理工作，所以选用了运算较快的89C51单片机作为采集控制和数据处理部件。选择的A/D转换器件也必须有很高的转换精度，同时要使整个采集系统速度提高，A/D转换器件的转换速度更是至关重要的。在综合考虑了系统的要求和当前A/D转换器件的性能，价格等指标的基础上，我们选用了有较高转换精度和较高转换速度的A/D转换器AD1674。AD1674是12位逐次逼近型数摸转换芯片，其内部带有数据采样保持器，可直接与被转换的模拟信号相连，芯片内设有三态输出缓冲电路，可以不用外部接口电路直接连到8位或16位的微处理器总线上。AD1674转换时间为1Ous，转换误差0.05%，输入模拟信号范围可为010V或是020V，也可为双极性5V或是10V，片内设有高精度的参考电压（10.00V），只需外接一适当电阻，便可向DAC部分的解码网络提供转换操作所需的时钟信号由内部提供，不需外接任何元器件。AD1674的工作状态由CE、五个控制信号组成。这些控制信号的组合控制功能见表2.1。CE工作状态0禁止1禁止1000启动12位转换1001启动8位转换101接1脚（+5v）12位并行输出有效101接地0高8位并行输出有效101接地1低4位加上尾随4个0有效表2.1 AD1674控制信号功能组合表由上表可知，当CE=1, =0同时满足时，AD1674才能处于工作状态。当AD1674处于工作状态时，=0时启动AD转换；=1时进行数据读出。和端用来控制转换字长和数据格式。当=0时启动转换，则按完整的12位A/D转换方式工作，如果当=1时启动转换，则按8位A/D转换方式工作。当AD1674处于数据读出状态时(=1), 和端成为数据输出格式控制端。=1对应12位并行输出；=0则对应8位双字节输出。其中=0时，输出高8位数据；当=1时，输出低4位，并以4个0补足尾随的4位。启动AD1674转换的时序图和AD1674读周期时序图如图2.3和图2.4所示。图2.3 AD1674启动转换时序图图2.4 AD1674读周期时序图2.2.3 系统通道结构本系统是多路信号的采集系统，确定它的通道结构是必须的任务之一。多路信号采集系统的通道方案，通常有三种：多通道共享S/H与A/D转换器，多通道同时采样型结构和多通道并行转换型结构。多通道共享S/H与A/D转换器的典型电路如图2.5所示。图2.5 多通道共享S/H与A/D转换器结构图该系统采用分时转换工作方式，模拟开关在计算机控制下，分时选通各路信号送S/H与A/D，经过A/D转换后送给单片机处理，这种方案可以充分利用S/H与A/D，节省资源。多通道同时采样型结构如图2.6所示。图2.6 多通道同时采样型结构图这种结构的每一通道上都有一个S/H，且由同一状态指令控制，系统可同时采集多路信号同一瞬间的数值，然后经模拟开关分时切换输出到A/D转换器。分别进行转换和输出。这种系统可用来研究多路信号之间的相位关系或信号间的函数图形等，常用于高频系统或瞬态过程测量系统。多通道并行转换型数据采集系统结构如图2.7所示。图2.7 多通道并行转换型结构图这种结构的每一通道都由独自的S/H与A/D，它们只对本通道信号转换，这些A/D的输出经数字多路转换器送至计算机。本数据采集系统的速度比较高，但尚不属于高速采集系统的范围，因而没有必要采用多通道并行转换型结构，考虑到AD1674芯片比较昂贵，且片内带S/H，为了充分利用其高精度和高速度的优点，提高其性能价格比，本系统采用了多通道共享S/H与A/D转换器结构。本系统三个手指共装有三个力传感器，9个电机都有位置信号通过驱动器采集并返回，所以整个系统有12个信号要采集。通常用的多路模拟开关都是8选一或是16选一的，本课题选择了具有十六通道的AD7506。综和以上两节设计，信号采集及处理系统如图2.8所示。 图2.8 信号采集系统电路图2.2.4电机驱动系统本方案通过伺服放大器ADS50/5实现对电机的驱动，它采用PWM放大器调节控制直流电机运行状态。它的工作性能数据如表2.2所示。由于ADS50/5提供了非常完备的直流伺服电机驱动方案，使得它的操作很简单，只需提供电压范围为+12V+50V的直流电源为驱动器工作电压，给Enable引脚提供+4V+50V的电压使之使能，我们就可以通过电机驱动电路给Set value引脚提供-10V+10V范围内不同的电压来调节电机转速，10V对应着电机反转的最高转速，0V对应着电机停止转动，+10V对应电机正转的最高转速；我们采用DAC0832芯片实现输出-10V+10V的模拟电压。电机驱动电路见图2.10。当把安装在电机轴上的光电码盘信号输入给驱动器，驱动器内部会对此信号进行处理并提供电机速度监测信号Monitor n。此信号可用于电机实际转动角度检测，方便我们进行位置控制。其电压值所对应的电机运转情况同Set value引脚的输入电压值。驱动器结构简图如图2.9所示。 表2.2 ADS50/5使用主要参数1、电源要求 工作电压 1250VDC 2、输入 Set value-10+10VDC Enable+4+50VDC Encoder signalsChannel TTL3、输出 Current monitor (Monitor i)-10+10VDC Speed monitor (Monitor n)-10+10VDC 图2.9 ADS50/5驱动器结构简图 图2.10 电机驱动电路图2.2.5 力传感器信号处理电路三指灵巧手的每个手指指端都使用了力觉传感器。FSR(Force Sensing Resistors)是一种聚合体薄膜装置，当在其活性表面施加的力增加时，它的电阻会随之减小。它对力的敏感度非常高，可以感知人手的触摸。FSR在三指灵巧手的应用电路如图2.11所示。图2.11 力传感器信号处理电路图无作用力时，FSR阻值Rs约为50M，晶体管导通，输出为低电平；有作用力时，阻值Rs随着力的增加可减小到1K，只要保证晶体管可靠截止，就可以使输出为高电平，从而可以根据输出的高低电平来判断加在传感器上力的大小。要使晶体管可靠截止，应有。如图2.12所示，FSR传感器的电导率C（1/R）反比与表面压力F，即随着表面受力F的增加，电导率C成比例减小。这样，通过计算电阻值Rs我们就可以知道表面受力F的大小。由电路图2.11有以下两式成立。 （2-1）式中： （2-2）在实际电路中我们利用AD1674检测值的变化，由式2-2计算出电阻值Rs，从而根据图2.12的比例关系，可计算出表面压力F。 图2.12 FSR性能曲线图 2.2.6通讯电路本控制系统采用上下位机两级计算机控制。上下位机之间的通讯问题则是关键问题。下位机必须将采集到的手指的实时运动位置和力信号传送到上位机，上位机将控制命令传送给下位机，以控制三个手指协调运动实现抓取和操作任务。2.2.6.1常用通讯方式的分析与比较89C51单片机具有并行和串行两种基本数据通信方式。并行数据通信是指数据的各位同时进行传送的通信方式。其优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线；串行数据通信指数据是一位一位顺序传送的通信方式，它的优点是只需一对传送线，特别适用于远距离通信。其缺点是传送速度低。在PC机中一般有两个标准RS232-C串行接口COM1和COM2。89C51单片机内含有一个全双工的串行接口，这为实现串行通信提供了很好的条件。2.2.6.2 RS-232C标准RS232-C是美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线。该标准适用于DCE和DTE间的串行二进制通信，最高数据传送数率可达19.2kbps，最长传送电缆可达15米。RS232C标准的电平采用负逻辑，规定为3V15V之间的任意电平为逻辑“0”电平，3V15V之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL、CMOS逻辑电平完全不同。在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平，所以在通信时，必须经过电平转换，以便与RS232C标准的电平匹配。MAX232芯片可以完成电平转换这一工作。2.2.6.3 MAX232芯片MAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器的IC芯片。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电源电压变换成为RS232C输出电平所需的10V电压。所以采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的5V电源就可以了。MAX232芯片在实际应用中对电源噪声很敏感。因此，必须要对地加去耦电容，其值为。电解电容是内部电源转换所需电容，其取值均为,宜选用钽电容并在连接时尽量靠近芯片。MAX232的引脚可直接接TTL/CMOS电平的MCS-51单片机的串行发送端TxD；可直接接TTL/CMOS电平的MCS51单片机的串行接收端RxD；，可直接接PC机的RS232串口的接收端RD；，可直接接PC机的RS232串口的发送端TD。采用MAX232接口的通讯电路如图2.13所示。图2.13 通讯电路2.2.7 时钟电路MCS-51单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。AT89C51工作的时钟频率为024MHz。本课题选择12MHz的石英晶振，30Pf的电容构成振荡电路，如图2.14所示。2.2.8 复位电路 通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。为使单片机正常工作，必须保证良好的复位。89C51的复位是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在它的RST引脚上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效的复位。MCS-51单片机通常采用上电复位和外部复位两种方式。上电复位是指单片机在接通电源时对单片机复位，外部复位可由外部脉冲复位或由手动复位。本课题选用上电复位，如图2.14所示。在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。图2.14 方案1控制系统电路第三章 控制系统软件设计控制系统的软件与硬件密切相关，控制系统的许多工作是由软件完成的，而不是由硬件完成的，因此控制系统的软件与硬件同等重要。根据三指灵巧手的结构特点以及性能要求，本章在控制系统硬件的基础上，全面分析了系统的功能、任务要求、控制算法、输入与输出、处理要求、地址分配、I/O接口等特性。详细介绍了三指灵巧手下位机控制系统的软件编制过程。系统软件采用MCS-51单片机汇编语言与C51语言混合编程。3.1 控制方案设计灵巧手的控制系统采用力、位置混合控制，灵巧手不仅能稳定地抓取不同形状的物体，还能够对物体进行细微的位姿调整。这就要求灵巧手的位置伺服控制系统应该具有良好的快速响应能力，力信号采集反馈系统具有快速的分析处理能力。当灵巧手的指尖接触到物体时，装在指尖的力传感器会感知到接触力的大小，根据这个力的大小，上位机计算出手指与物体的接触状态，给出下一步手指应到达的位置指令值。在本系统中，采用PID算法实现对电机的调节。从而实现灵巧手的三个手指末端位姿。下位机的软件主要实现以下功能：检测力信号和电机位置信号，把检测到的信号通过串行口传送到上位机，并接收来自上位机的控制信号以控制电机的转动，从而达到实现三指灵巧手完成各种操作的目的。下位机的程序主要包括主程序、串口接收中断服务程序、串口发送程序、A/D转换程序、D/A转换程序。3.2 主程序主程序的工作流程是：单片机利用自身的串行通信口，接收PC机传送下来的串行数据，然后将接收到的数据通过并行口输出，送到数据锁存器74LS373，最后将锁存的数据送到D/A转换器进行数模转换并通过运放将模拟信号输出，控制电机的运转；返回的信号经过A/D转换器和数据锁存器变成单片机所需的并行数字信号送到单片机的数据存储单元中，再由串行口返送到PC机，PC机处理数据并给出下一步的控制命令。图3.2为主程序的流程图。检测D/A转换标志开 始串口初始化程序设数据首地址及数据个数开 中 断D/A转换标志为1？D/A转换程序A/D转换程序N图3.2 主程序框图3.3 串口通信程序上、下位机之间的通讯采用串行通讯，RS-232C标准。RS-232C是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的、在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。89C51单片机内部有一个功能很全的全双工串行口，它是可编程的全双工的串行口。该串行口有4种工作方式，波特率可由软件设置，由片内的定时器/计数器产生，接收、发送均可工作在查询或中断方式，使用十分灵活。在本系统中，采用串行口工作方式，即标准的8位异步通信方式。数据格式如下：1个起始位(低电平),8个数据位（低位在先）和1位停止位(高电平)。其中的起始位和停止位在发送时是自动插入的。发送时，10个数据位按照上述顺序从TXD端移出；接收时，也遵循该顺序从RXD端引入。它们所需要的移位脉冲由单片机的内部时钟提供。方式1的波特率是可变的，波特率可由以下计算公式计算： 波特率= （3-3）其中的SMOD为PCON的最高位，是系统的时钟频率，是时间常数，在实际应用中，先给定通讯波特率，在定时间常数。本系统中设置波特率为2400位/秒，单片机晶振为12MHz, SMOD=0。则可由上式计算时间常数： （3-4）时间常数在初始化程序里对定时器T1预置。3.3.1 串口初始化程序在使用串行口之前，应对它进行编程初始化，主要是设置产生波特率的定时器T1、串行口控制和中断控制。控制89C51单片机串行口的控制寄存器共有二个：特殊功能寄存器SCON和PCON。l 波特率设置初始化：定时器T1的工作方式2( TMOD0x20)、计数常数（TH10xF3,TL1=0xF3）、SMOD=0（PCON=0x00）l 串行口初始化：串行口的工作方式1（SCON0x50）l 启动定时器1：TR11l 允许CPU中断和串口中断： IE=0x903.3.2 串口接收中断程序当上位机向下位机发送数据时，引起下位机的中断，程序便跳到相应的串口接收中断程序以进行处理。要使串行口工作在中断方式，须开CPU和源中断（EA1，ES1），即在串口初始化程序里设置IE中断允许寄存器的D7和D4位（IE=0x90）。在方式1接收时，需要同时满足以下两个条件：l RI=0l SM2=0或接收到的停止位为1则接收数据有效，实现装载SBUF、停止位进入RB8、RI置1。接收控制器再次采样RXD端，以便接收下一帧数据。如果上述两个条件任一不满足，信息将丢失。中断标志RI必须由用户在程序中清零。串口接收中断程序见图3.3。3.3.3 串口发送程序串行口以方式1发送时，数据由TXD端输出，CPU执行一条写入SBUF的指令就启动一次串口发送，发送的条件是TI0，发送完一帧信息时，发送中断标志TI置1。串口接收中断程序关 中 断现场保护清接收中断标志RI接收数据置位D/A转换标志恢复现场开 中 断返 回图3.3 串口接收中断程序3.4 数据的采集和处理3.4.1 数据的处理数据采集系统所采集的原始数据，在信号转换、传输、放大及A/D转换过程中，不可避免地要受到零点漂移及各种干扰的影响，使其偏离实际的值，同时又由于在非电量转换为电量过程中，常常存在非线性问题，所以要想得到比较理想、比较接近真实值的信号，在把采集的数据送到上位机之前，必须对它们进行适当处理。对数据进行处理的内容和方法必须根据所测物理过程和数据采集系统本身的结构而定。在位置信号和指端力传感器的数据采集过程中存在噪声和干扰，对这些干扰信号我们很难分析它们性质，但是在通常情况下，这些干扰信号是随机的，我们对它们都采用了中值平均滤波的方法，也就是在同一条件下，读取一组数，并去掉其中的最大值和最小值，对剩下的中间值取算术平均值，作为输出值。这种方法虽然简单，但可以有效地抑制随机干扰信号，在实际应用中是非常有效的。3.4.2 A/D转换程序本系统采集的信号为力信号05V，电机位置信号1010V。故需要将AD1674芯片接为双极性输入。单片机可以采用中断、查询、延时方式读取AD1674的转换结果，本系统采用查询方式，将转换结束状态线STS与单片机的P1.0相连，当89C51单片机执行对外部数据存储器的写指令时，便启动转换。然后89C51单片机通过P1.0不断查询STS的状态，当STS=0为低电平时，表示转换结束。由于AD1674输出12位数码，所以当单片机读取转换结果时，需分两次进行：先高8位、后低4位。由于读取的数据是向左对齐的，故要将其进行移位操作，使其向右对齐。又由于是双极性输入，所以还要将转换结果减去800H。A/D转换程序的框图如图3.4所示。开 始右移4位减去800H存入内部RAM串口发送程序结 束读高8位读低4位9路信号检测完？启动转换转换结束？读 取 数 据NN图3.4 A/D转换程序 3.5 D/A转换程序我们采用DAC0832芯片实现输出-10V+10V的模拟电压。10V对应着电机反转的最高转速，0V对应着电机停止转动，+10V对应电机正转的最高转速。由于手指各关节的转动要同时进行，要求同步进行D/A转换输出，所以DAC0832采用双缓冲器同步方式接法。DAC083采用这种接法时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的，即CPU的数据总线分时地向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后CPU对所有的D/A转换发出控制信号，使各个D/A转换器输入寄存器中的数据打入DAC寄存器，实现同步输出。D/A转换程序的框图如图3.5所示。开 始D/A转换标志为1？N9个电机数据分别送输入寄存器同时启动9路D/A转换置位A/D转换标志结 束图3.5 D/A转换程序3.6 本章小结本章系统分析了三指灵巧手控制系统软件部分的功能作用。详细介绍了三指灵巧手下位机控制系统的软件编制过程。重点介绍了下位机主要程序的编制过程和流程图