仿人機械手電氣控制系統設計

摘要：本文以仿人機械手運動控制系統為研究對象，提出了針對機械手運動控制系統的設計方案。重點放在了控制系統的構成和設計方面。系統以STC15F204EA單片機為控制核心，通過位置及力矩傳感器采集檢測機械手對被抓物體的夾緊力的大小，反饋給單片機運算得出機械手指運動位移量并發出指令給驅動器，帶動微電機運轉，實現機械手的物體抓握。

關鍵詞：仿人 機械手 單片機STC15F204EA 驅動器 步進電機

中圖分類號： TP241 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）04（a）-0000-00

中國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中，把“服務機器人”研發作為重點項目。機械手是“服務機器人”的關鍵部位，在各種護理機器人、陪護機器人、中醫按摩機器人中，機械手是機器人完成“服務”任務必不可缺的一部分。設計并制造具有感知能力的擬人化機器手，并對擬人機械手的材質、機械結構、控制技術進行了深入的調查研究。將微小型步進電機和齒輪減速器引入擬人化靈巧機械手設計結構中，實現機械手的大扭矩抓取和擬人化；機械手裝有位置、力、力矩等多種傳感器，可實現機械手認知能力，且所有部件均集成在手指和手掌內。開發具有認知能力的擬人化靈巧機械手集機、電、計算機軟硬件、信號源處理于一體。有5個相同結構的模塊化手指，具有擬人化手形外觀及認知抓取能力。通過對擬人化靈巧機械手的研究，帶動更多前沿學科與機器人技術的交叉和融合，促進我國“機器人”的進一步發展，提高其技術水平和國際競爭力。

1 仿人機械手工作機理分析

仿人機械手主要由手掌、手指機構、拇指機構和所有的手指驅動機構組成。手掌內放的驅動直流小電機，節約了手的空間，縮小了體積；手指機構包括小指、無名指、中指和食指，它們都由相同的構件組成，包括兩個關節前指和后指，前指和后指使用螺釘連接，可以減小手指的大小。各指之間使用軸連接，用軸套保持之間的距離，防止發生碰撞。拇指機構是單獨的零件體，單獨與四指機構用連桿連接，減小了機構的復雜性，有利于優化機構。傳動機構包括電機軸齒輪、減速齒輪、驅動手指機構的半齒和帶動拇指的連桿組成。仿人機械手運動的過程是以手掌為基座，電機固定在手掌內，帶動齒輪實現各級減速，半齒連接在四指上，當半齒轉動時帶動四指張合，四指和拇指是由連桿連接，所以四指動的時候拇指也隨之而動，且與四指相反，從而最終實現物體抓握。

2仿人機械手控制系統硬件設計

2.1控制系統硬件結構設計

圖3-1仿人機械手控制系統結構框圖

如圖3-1所示為基于單片機系統設計的仿人機械手控制系統的結構框圖。其工作方式如下：

其中MCU為單片機處理器，信號采集模塊包括位置傳感器模塊和力矩傳感器模塊。這兩個傳感器模塊的主要功能是檢測對被抓物體的夾緊力地大小，同時生成模擬量的電信號，然后再通過單片機內部自帶有的A/D轉換芯片將模擬量轉換成數字量，單片機將得到的數字信息存儲起來，等到要處理的時候進行處理。

當單片機根據采集到的夾緊力對應的電壓信號來算得手指的運動的位移，向外部驅動電路發送不同的位移信息。外部的電機驅動器將接收到的數字信息進行處理，最后進行對電機運行的控制。

2.2控制器芯片的選擇

在設計控制系統的過程中，對控制芯片的選擇至關重要，從系統的穩定性，性能和價格等方面考慮選擇STC15F204EA單片機。

STC15F204EA系列單片機是STC公司生產的單時鐘機器周期的單片機，是高速、高可靠、低功耗、抗干擾的新一代8051單片機，可設置5MHZ-35MHZ寬范圍頻率，可徹底省掉外部昂貴的晶振，自帶8路高速A/D轉換功能，無需在系統再搭建模數轉換電路。

2.3電機驅動模塊的設計

2.3.1驅動芯片的選擇

L293是ST公司生產的一種高電壓、小電流電機驅動芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達2A，持續工作電流為1A。內含兩個高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和繼電器線圈等感性負載；該芯片可以驅動兩臺直流電機。引腳P1用于M1電機PWM輸入控制，引腳P2用于M2電機PWM輸入控制。

2.3.2單片機與驅動器之間的接線與參數設置

本文所采用的單片機STC15F204EA可以控制驅動器L293驅動兩臺微電機。分別是M1和M2。引腳P1、P2可用于接收單片機輸出的PWM脈寬調制信號以實現對電機進行調速控制。實現電機正反轉是通過D1和D2兩個端口控制的，輸入信號端D1接高電平，電機M1正轉，如果接低電平，電機就反轉。控制另一臺電機是同樣的方式，驅動器L293輸入信號端D2接高電平，電機M2正轉，反之則反轉，PWM信號端P1控制電機M1速度，PWM信號端P2控制電機M2速度。下圖3-2為仿人機械手控制系統接線原理圖，詳細地繪制了單片機控制驅動器并連接兩臺電動機的工作過程。

圖3-2 控制系統接線原理圖

3控制系統軟件設計

本控制系統所采用STC15F204EA單片機對應晶振為12MHZ，利用定時器控制產生占空比可變的PWM脈沖信號。PWM輸出范圍為0% -100%，PWM的周期1ms，頻率1KHZ，且輸出低電平有效。

如下是控制機器人左右機械手運動的兩臺直流電機PWM調速的部分程序

#include；

Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：啟動或停止；

Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正轉或反轉；

Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；

Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM減一；

Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：啟動或停止；

Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正轉或反轉；

Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；

Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM減一；

//輸出控制引腳；

Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：電機轉向控制；

sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：電機轉向控制；

sbit BEEP=P3^7；//蜂鳴器；

//電機的占空比；

Unsigned char PWM1_value=50；//賦初值 50%；

Unsigned char PWM2_value=50；//賦初值 50%；

主程序

Void main（void）

{

PWM_INIT（）：//PWM初始化

While（1）

{

KEY_SCAN（）：//按鍵掃描

}

}

4結論

本文設計了一種仿人機械手運動控制系統，該系統充分利用了仿人機械手結構簡單、體積小、重量輕，拆卸方便，各手指間都可安裝傳感器的優點，能使控制更加靈活，安全性增強，滿足了仿人機械手對控制系統的要求。以STC15F204EA單片機為控制核心，通過與位移及力矩采集模塊之間的通信，實現了信息的良好通訊。通過驅動芯片L293驅動步進電機運轉實現對機械手抓握物體的良好控制。

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