一种欠驱动五指灵巧手控制系统的制作方法

本发明涉及一种欠驱动五指灵巧手控制系统，适用于机械领域。

背景技术：

机器人灵巧手是为多任务而研究开发的一种智能型通用机械手，作为末端夹持机构，通过直接作用于目标对象来实现对目标的抓握，在太空探索、核能开发、医疗康复器械等诸多领域均有广泛的应用。随着科技水平的不断进步，灵巧手的研究逐渐成为机器人领域一个专门的研究领域，其研究工作取得了较大的进展，并取得了许多有应用价值的成果，如Stanford/JPL手、Utah/MIT手、Gifu手、HIT灵巧手、BH灵巧手等。以Gifu手为例，其自由度以及所需驱动器数量较多，尽管其可以灵活自主地抓取物体，且具有较好的抓取稳定性，但在整个手掌以及手指内侧中布置了大量的触觉传感器，通过增加控制系统和传感器的要求来满足抓取物体时对其形状和尺寸的自动适应，成本高。实际上，人手是一个多冗余信息的活动体，其关节间运动存在着相关性，希望以有限的自由度充分反映手部信息，因此有必要对手的运动进行分析。特别是末端指关节和近掌指关节的运动关系非常密切，即近端指关节运动时对远端指关节的运动产生影响。为同时兼顾灵活性和轻便性，国内外的专家学者提出了欠驱动灵巧手机构，从欠驱动系统的角度进行其运动关系分析，对减少一个驱动元件具有重要意义。所谓的欠驱动扫L构即独立控制驱动单元数量少于系统的自由度数的机构，手指通过弹簧和限位元件实现手指的自适应抓握，在节约能量、降低造价、减轻质量、增强系统灵活性等方面都较完全驱动系统优越。目前，国内外也出现了一批具有代表性的欠驱动机械手，例如，巴瑞特手爪是一种由齿轮、蜗轮、蜗杆、滑轮和绳索构成的欠驱动手爪，所有伺服系统和控制器都安装在机械手的内部，手指下关节的弯曲是通过齿轮机构实现的，手指上关节的弯曲是通过齿轮带动蜗杆和涡轮，再由蜗轮带动滑轮和绳索驱动，不但能够完成一般的外部包络抓取，其手指还可以伸人物体内部并向外张开，从而实现内部抓取。清华大学的研究人员设计的欠驱动拟人机器人手TH-1，电机、驱动与控制系统等完全嵌人手掌，在外观与尺寸上均与人手相似，可完成常见的伸展、握拳、以适当的力稳定地抓取不同尺寸物体等拟人动作。但欠驱动手指通过弹簧和限位元件实现手指的自适应抓握，同时也受弹性元件和限位元件的影响，导致机器人手指的精确控制，轨迹跟踪有一定难度，因此，选取合理的简化结构和控制手指运动方式及表现形式，是欠驱动手指控制功能实现、简便实用的重要任务。

技术实现要素：

本发明提出了一种欠驱动五指灵巧手控制系统，创建了基于单片机的直流电机PWM调速系统，控制电路简单，编程便捷、容易，控制效果良好。

本发明所采用的技术方案是。

所述控制系统采用AT89 C51单片机实现微型直流电机的PWM调速控制，电机能按照设定值运转，并能实现正反转控制，同时电机的转速能通过编码器反馈给单片机，实现速度的闭环控制。

所述控制系统的硬件电路主要包括PWM信号发生电路、电机驱动电路、速度反馈检测电路、键盘与显示等几个部分。其中，PWM信号发生电路，主要在单片机电路与电机驱动放大电路之间加入高速光电隔离器件，产生PWM信号，并将PWM信号倒相，即PWM信号中的高电平持续时间部分对应直流电机的断电时间。利用光电隔离实现驱动电路与单片机之间的隔离，提高控制系统的可靠性及抗干扰性。尽管数字电路输出的电压可以满足系统的需求，但是电流很小，对于直流小功率电机的驱动下不能直接采用数字电路输出的电压进行驱动，需要进行功率放大，控制直流电机的电枢电压，进而驱动直流电机转动。功率放大驱动电路采用大功率达林顿管TIP122，达林顿管的驱动采用了光电隔离将微型直流电机的工作电源与单片机系统的工作电源隔离开来，以免影响控制部分电源的品质，并在达林顿管的基极加三极管驱动，可以给达林顿管提供足够大的基极电流，提高了系统的可靠性。

所述控制系统采用4个达林顿管组成直流电机的正反转控制电路，I02口为“0”，I01口输入PWM波时，电机正转，通过改变PWM的占空比可以调节电机的速度。当I02口为“0"，I02口输入PWM波时，电机反转，同样通过改变PWM的占空比来调节电机的速度。

所述控制系统采用脉冲检测法，在电机的主轴上安装编码器。当电机转动时，编码器输出脉冲信号，送入AT89 C51的计数器对脉冲进行计数。为了实现直流电机正反转控制，不仅要考虑转速脉冲的计数，还要能够检测出直流电机的转动方向。电路用两个槽型光藕产生4路信号送入LM393中进行处理，码盘转动，使光藕输出连续脉冲，LM393的两个输出端就会产生连续的脉冲信号。由于反馈的作用，会使这两路脉冲输出信号具有一定的相位差。LM393两路输出的信号分别为A, B相脉冲，当电机正转时，A相脉冲的相位总是超前于B相脉冲的相位，反转时，B相脉冲的相位超前于A相脉冲的相位。这样，把A, B相脉冲接到AT89 C51的输入接口。

本发明的有益效果是：该控制系统创建了基于单片机的直流电机PWM调速系统，实现了欠驱动五指灵巧手的弯曲/伸展与内收/外展运动，实现了欠驱动五指灵巧手的弯曲/伸展与内收/外展运动，控制电路简单，编程便捷、容易，控制效果良好。

附图说明

图1是本发明的控制系统原理图。

图2是本发明的直流电机功率驱动电路。

图3是本发明的电机转速反馈电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，控制系统用AT89 C51单片机实现微型直流电机的PWM调速控制，电机能按照设定值运转，并能实现正反转控制，同时电机的转速能通过编码器反馈给单片机，实现速度的闭环控制。

控制系统的硬件电路主要包括PWM信号发生电路、电机驱动电路、速度反馈检测电路、键盘与显示等几个部分。其中，PWM信号发生电路，主要在单片机电路与电机驱动放大电路之间加入高速光电隔离器件，产生PWM信号，并将PWM信号倒相，即PWM信号中的高电平持续时间部分对应直流电机的断电时间。利用光电隔离实现驱动电路与单片机之间的隔离，提高控制系统的可靠性及抗干扰性。尽管数字电路输出的电压可以满足系统的需求，但是电流很小，对于直流小功率电机的驱动下不能直接采用数字电路输出的电压进行驱动，需要进行功率放大，控制直流电机的电枢电压，进而驱动直流电机转动。功率放大驱动电路采用大功率达林顿管TIP122，达林顿管的驱动采用了光电隔离将微型直流电机的工作电源与单片机系统的工作电源隔离开来，以免影响控制部分电源的品质，并在达林顿管的基极加三极管驱动，可以给达林顿管提供足够大的基极电流，提高了系统的可靠性。

如图2，控制系统采用4个达林顿管组成直流电机的正反转控制电路，I02口为“0”，I01口输入PWM波时，电机正转，通过改变PWM的占空比可以调节电机的速度。当I02口为“0"，I02口输入PWM波时，电机反转，同样通过改变PWM的占空比来调节电机的速度。

如图3，控制系统采用脉冲检测法，在电机的主轴上安装编码器。当电机转动时，编码器输出脉冲信号，送入AT89 C51的计数器对脉冲进行计数。为了实现直流电机正反转控制，不仅要考虑转速脉冲的计数，还要能够检测出直流电机的转动方向。电路用两个槽型光藕产生4路信号送入LM393中进行处理，码盘转动，使光藕输出连续脉冲，LM393的两个输出端就会产生连续的脉冲信号。由于反馈的作用，会使这两路脉冲输出信号具有一定的相位差。LM393两路输出的信号分别为A, B相脉冲，当电机正转时，A相脉冲的相位总是超前于B相脉冲的相位，反转时，B相脉冲的相位超前于A相脉冲的相位。这样，把A, B相脉冲接到AT89 C51的输入接口。