柔性機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

北華大學學士學位論文I目 錄第一章 緒論 11.1 課題來源及背景 11.2 課題的研究意義 11.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 21.3.1 國外發(fā)展狀況 31.3.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 31.4 課題研究內(nèi)容介紹 31.5 本章小結(jié) 3第二章 柔性關(guān)節(jié)與多指柔性機械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計 42.1 抓取目標與要求 42.1.1 手指正屈抓取物體 42.1.2 手指外展內(nèi)收夾持物體 52.2.3 彎擺復(fù)合實現(xiàn)操作 62.2 柔性關(guān)節(jié)的控制方法 62.2.1 柔性關(guān)節(jié)氣壓控制原理 .62.2.2 關(guān)節(jié)位置控制 72.2.3 關(guān)節(jié)運動速度控制 72.2.4 關(guān)節(jié)驅(qū)動力控制 82.3 五指機械手氣壓控制系統(tǒng) 82.3.1 五指機械手氣壓控制系統(tǒng)原理 82.3.2 氣壓控制系統(tǒng)組成 92.3.3 抓取功能控制要求與氣壓系統(tǒng)控制方案 102.4 多指柔性機械手控制系統(tǒng)方案比較 112.5 本章小結(jié) 12第三章 柔性機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 123.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 .123.1.1 總體控制方案設(shè)計 .123.2.2 控制最小系統(tǒng)的設(shè)計 .133.2.3 壓力傳感器的設(shè)計 .153.2.4 運算放大器的選擇及接口電路設(shè)計 .183.2.5 濾波的電路設(shè)計 .183.2.6 A/D 的選擇及接口電路設(shè)計 .20北華大學學士學位論文II3.2.7 比例閥的選擇及接口電路設(shè)計 .203.2.8 D/A 的選擇及接口電路設(shè)計 .223.2.9 光耦隔離的設(shè)計 .233.2 顯示器的設(shè)計 .243.3 電源模塊的設(shè)計 .253.3.1 DC24V/5V 電源設(shè)計 .253.3.2 正負 12V 電源設(shè)計 .263.4 按鍵模塊 .273.5 報警 .273.6 本章小結(jié) .28第四章 柔性機械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 294.1 控制系統(tǒng)的軟件流程 294.1.1 下位機主程序流程 .294.1.2 機械手抓取操作子程序流程 304.2 柔性機械手軟件程序 314.3 本章小結(jié) 50第五章 柔性機械手控制電路仿真 515.1 五指柔性機械手運動位姿仿真 .515.1.1 傳感器電路的仿真 .515.1.2 繼電器仿真電路 .515.2 本章小結(jié) .52總結(jié) 53致謝 54參考文獻 55北華大學學士學位論文1第一章 緒論1.1 課題來源及背景隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進步，工業(yè)機器人早已經(jīng)被廣泛地用來代替工人完成一些簡單和重復(fù)性的勞動。然而，由于人們越來越關(guān)注機器人在社會生活各個領(lǐng)域的應(yīng)用，而工業(yè)機器人又不能滿足人們的要求，因而如何使機器人能夠為人們的日常生活服務(wù)，則成為現(xiàn)在機器人研究領(lǐng)域的焦點問題。由于像人手一樣具有五個手指和手掌的仿人機械手具有極強的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多場合下完成各類復(fù)雜和靈巧的操作。例如，機械制造、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、設(shè)備安裝、家務(wù)勞動等。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手” 。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。國內(nèi)外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。1.2 課題的研究意義隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進步，工業(yè)機器人早已經(jīng)被廣泛地用來代替工人完成一些簡單和重復(fù)性的勞動。然而，由于人們越來越關(guān)注機器人在社會生活各個北華大學學士學位論文2領(lǐng)域的應(yīng)用，而工業(yè)機器人又不能滿足人們的要求，因而如何使機器人能夠為人們的日常生活服務(wù)，則成為現(xiàn)在機器人研究領(lǐng)域的焦點問題。由于像人手一樣具有五個手指和手掌的仿人機械手具有極強的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多場合下完成各類復(fù)雜和靈巧的操作。例如，機械制造、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、設(shè)備安裝、家務(wù)勞動等。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手” ，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況柔性機械手具有高負載、自重比、低能耗、高速度、適于直接驅(qū)動等優(yōu)點。氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作” 。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。高頻率的點焊、力控的準確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機械手應(yīng)用之一。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的 SIN 氣缸。 氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等。此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動自動調(diào)節(jié)病床，Robodoc 機器人，daVinci 外科手術(shù)機器人等。北華大學學士學位論文31.3.1 國外發(fā)展狀況國外對柔性機械手的控制研究進行的比較早，進展也很快。20 世紀 90 年代意大利研制的 DIST 手，DIST 手具有 16 個自由度的四自由度靈巧手，每個手指有 4 個自由度，通過 5 個直流電機和 16 根鍵進行驅(qū)動，該手體積小，重量輕，易于安裝在多種商用機械手上，該手完全模擬人手的結(jié)構(gòu)動作，由 1 個手腕和 5 個手指組成，共 14 個自由度。NASA 手擰螺釘照片，其外形與靈巧性比較接近人類的手。英國shadow 機器人公司研制出了一種靈巧手，它是基于 AirMuscle 的一種機械手，是當今世界上最接近人手的機械手之一，具有 24 個自由度，可以直接完成人手到機械手的映射。1.3.2 國內(nèi)發(fā)展狀況20 世紀 80 年代，我國一些研究機構(gòu)也先后開展了機械手的研究工作，北京航空航天大學機器人研究所先后研制了 BH-1、BH-2、BH-3、BH-4 四種型號機械手。哈爾濱工業(yè)大學研究所與德國宇航中心合作研制的新一代多指仿人機械手“HIT/DLR Hand”及其改進型分別成功地在 2004 年第一屆和 2006 年第二屆慕尼黑國際機器人及自動化展覽會上展出，目前研制出第三代靈巧手。1.4 課題研究內(nèi)容介紹本課題要進行的是柔性機械手特性試驗控制系統(tǒng)的設(shè)計，其具體要求是機械手能夠達到規(guī)定的控制精度和最小力控制。（1）需要完成的內(nèi)容：1）完成系統(tǒng)方案設(shè)計、器件的選型及控制核心設(shè)計；2）各環(huán)節(jié)的硬件電路的設(shè)計；3）控制系統(tǒng)核心器件及接口電路設(shè)計；4）軟件流程設(shè)計及控制程序設(shè)計；5）電源模塊及其它相應(yīng)電路的設(shè)計。（2）需要解決的關(guān)鍵問題：1）最小力控制問題；2）數(shù)據(jù)采集精度問題。（3）其主要性能指標：1）要求設(shè)計可靠靈活，操作方便；2）動作特性符合控制輸入要求，達到控制精度為 1%；3）系統(tǒng)具有干擾的能力，采取可靠的抗干擾措施。北華大學學士學位論文41.5 本章小結(jié)本章主要介紹了本課題的來源和相關(guān)的背景，以及研究意義和國內(nèi)外發(fā)展狀況。第二章 柔性關(guān)節(jié)與多指柔性機械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計機械手抓取模式、抓取能力和控制方法,是機械手的關(guān)鍵技術(shù)。對于多指機械手的抓取操作,很多學者進行了廣泛深入的研究。研究內(nèi)容涉及抓取位置、抓取方式和抓取控制等。機械手抓取物體時,預(yù)先通過手臂和手腕的運動,調(diào)整機械手掌心位姿,使被抓取的物體處于機械手的可操作范圍內(nèi),之后由機械手完成抓取動作。由于所研究的柔性機械手主要是由彈性元件構(gòu)成,柔性較大但剛性不足。因此,柔性機械手抓取動作速度不高,一般在 0.1 一 15 完成 1 個操作過程。以此減少動力學因素的影響,避免手指系統(tǒng)的振動和不穩(wěn)定問題。這樣的速度水平,也符合人類和生物手掌的一般運動情況,滿足仿生機械手的基本要求。利用機械手實現(xiàn)物體的抓取可分為三個階段,接近并接觸物體、抓緊物體和抓起物體。三個階段的控制涉及到機械手運動學模型、靜力學模型和動力學模型。柔性機械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計,主要包括控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件控制程序兩個方面。其中,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與控制方式、控制對象和控制要求相關(guān),軟件控制程序應(yīng)根據(jù)機械手控制目標、控制功能和控制過程要求編制。所研究的柔性機械手控制系統(tǒng)由單片機、控制器和氣壓系統(tǒng)三部分組成?？傮w控制思想是由單片機及控制器構(gòu)成控制系統(tǒng),通過控制電磁閥的開關(guān)邏輯組合實現(xiàn)動作模式的選擇,通過對比例壓力閥組的控制實現(xiàn)機械手操作動作的程度和過程控制。手指的夾持能力決定了機械手的夾持能力,為此本章重點研究柔性關(guān)節(jié)及手指的彎曲夾持驅(qū)動能力,以及機械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方法。2.1 抓取目標與要求手指位置控制：接近接觸抓緊（并移動）預(yù)松開還原；抓取速度：0.1-1s/動作；抓取力：與物體重量匹配（單指正壓力 0-3.5N） 。2.1.1 手指正屈抓取物體機械手的掌心基盤外形為八面體結(jié)構(gòu)(圖 2.1),其中五個面安裝了機械手指,手腕將安裝在上面?？紤]到手指的直徑和安裝尺寸,手掌基盤直徑為 112 毫米。中指位于中心線上,拇指與無名指、食指與小拇指相對,并沿中心線對稱分布,四指互成北華大學學士學位論文590。,可保證抓取的穩(wěn)定性。柔性機械手剛度不高,為使其輕量化,掌心盤和手指楔形盤等元件應(yīng)選用鋁鎂合金、高強度塑料等輕質(zhì)材料。該柔性機械手共有巧個關(guān)節(jié),最多 45 個自由度。在實際應(yīng)用中,每個關(guān)節(jié)或手指可單獨控制,也可分別控制。如圖 2.1 所示，為雙拇指機械手結(jié)構(gòu)。圖 2.1 雙拇指機械手結(jié)構(gòu)關(guān)系（1）球形物體1）指尖點接觸抓?。ㄖ亓?0-1kg，直徑 0-320mm；）4-5 個手指同時正彎，1 個變量，10 個開關(guān)量。每個手指 1 個接觸點。2）手指抱緊抓握（重量 0-1kg，直徑 120-200mm）5 個手指同時正彎，1 個變量，10 個開關(guān)量。五指的每個手指接觸點大于 2 個。利用該方法，也可對柱狀物體進行抓握（圖）（2)長方形物體（重量 0-1 公斤，尺寸 16mm*20mm-300*320）對稱的四指同時正彎，先接觸的兩指暫停，另兩指接觸后，四指再同時加力到能抓緊程度。2 個自由度（變量） ，開關(guān)量 8 個。每個手指 1 個接觸點。（3)三角形（重量 0-1kg；最大邊長小于 320mm）利用 1、3、5 指抓取，先接觸的停止，三指全接觸后一起加壓夾緊。三個變量，6個開關(guān)量。（4)小型物體或試探情況（捏）利用 1、4 或 2、5 兩個手指正屈，捏住物體。需控制 1 個變量，4 個開關(guān)量。（5)對于異型物體（五指適應(yīng)性抓?。┳疃嘈杩刂?5 個變量，20 個開關(guān)量，另有 25 個機動自由度。X0Y01 拇指2 食指3 中指4 無名指5 小拇指4 504 504 504 504 504 50北華大學學士學位論文62.1.2 手指外展內(nèi)收夾持物體對于薄板物體（重量 0-0.5kg；厚度 0-200mm） ，基本方法是利用手指關(guān)節(jié)內(nèi)收和外擺功能，根據(jù)夾持要求控制關(guān)節(jié)的壓力實現(xiàn)。若薄板物體較小或較輕，可采用兩指夾持；反之可采用 4 指夾持。1 個自由度，20 個開關(guān)量。1）兩指夾持拇指和食指夾持法：夾持幅度大，適合厚度較大物體。食指與中指夾持法：夾持幅度較小，適合厚度小，夾持力大情況2）四指夾持利用拇指和食指，無名指和小指形成兩對配合，夾持物體。適合于較長薄板或圓柱物體的夾持。2.2.3 彎擺復(fù)合實現(xiàn)操作1）正握柱狀物體先通過外展和內(nèi)收的橫擺，使手指與柱狀物體軸心垂直，然后正屈握緊。2）捻動功能（3 指）三個手指先正屈接觸，然后不同手指進行外展或內(nèi)收，形成相對搓動操作。3）旋擰功能（3 個自由度）運動原理，四指足夠，但為避免運動干涉和簡化控制系統(tǒng)，中指也一起同步外擺和內(nèi)收動作。為避免被操作物體受力不均而失衡，中指可虛擺不夾緊。掌關(guān)節(jié)根據(jù)旋擰物體的直徑，通過伸屈調(diào)整操作運動的基圓，伸屈的范圍將決定可進行旋擰物體的直徑范圍。近關(guān)節(jié)外展和內(nèi)收，完成旋擰驅(qū)動和返回，將決定每一循環(huán)完成旋擰的工作角度。遠關(guān)節(jié)調(diào)整伸屈，完成夾緊和松開，將決定旋擰力矩。五指同步控制，可實現(xiàn)指尖協(xié)調(diào)一致按照橢圓形運動軌跡運動，完成夾緊驅(qū)動松開返回的周期動作，實現(xiàn)物體的旋緊和擰松要求?？刂浦讣鈾E圓軌跡的方向，可實現(xiàn)旋緊和擰松的轉(zhuǎn)換。2.2 柔性關(guān)節(jié)的控制方法柔性關(guān)節(jié)的控制是機械手控制的基礎(chǔ)，其控制方法主要是通過氣體壓力控制關(guān)節(jié)中人工肌肉的變形方向、程度和變形速度，實現(xiàn)對關(guān)節(jié)位置和運動速度控制。2.2.1 柔性關(guān)節(jié)氣壓控制原理通過實驗已確定，完成最大程度的關(guān)節(jié)伸長或彎曲動作所需最短時間，為28/420 秒。因此，可確定關(guān)節(jié)運動的最大頻率為 420/28 赫茲。如圖 2.2 所示，關(guān)節(jié)中四條人工肌肉工作狀態(tài)由四個兩位三通電磁換向閥決定。當電磁換向閥不通電時，人工肌肉內(nèi)腔壓力為零，處于自由狀態(tài)。北華大學學士學位論文71 人工肌肉 2 兩位三通電磁閥 3、壓力傳感器 4 比例閥 5 氣源調(diào)節(jié)裝置 6 氣源圖 2.2 關(guān)節(jié)氣壓控制系統(tǒng) 圖 2.3 關(guān)節(jié)運動形態(tài)2.2.2 關(guān)節(jié)位置控制關(guān)節(jié)的位姿控制是機械手抓取控制的基礎(chǔ)，直接決定了手指位置控制的精度和穩(wěn)定性，氣動柔性關(guān)節(jié)的位姿有正屈、反伸、外展、內(nèi)收和軸向伸長五種動作模式。表 2-1 關(guān)節(jié)運動模式對電磁鐵及比例閥動作要求電磁閥通電狀態(tài)關(guān)節(jié)運動形態(tài) 1DT 2DT 3DT 4DT比例壓力閥正屈 + + 0 - 0.35MPa反伸 + + 0 - 0.35MPa外展 + + 0 - 0.35MPa內(nèi)收 + + 0 - 0.35MPa軸向驅(qū)動 + + + + 0 - 0.35MPa關(guān)節(jié)位姿的控制，首先是關(guān)節(jié)運動形態(tài)的選擇和控制。由表 2-1 可知，當電磁閥 1YA 和 2YA 通電，1 號和 2 號人工肌肉通入壓力氣體，關(guān)節(jié)將進行正屈變形，既關(guān)節(jié)繞 X 軸正向彎曲。此時，關(guān)節(jié)變形的程度由比例閥調(diào)整壓力實現(xiàn)。關(guān)節(jié)的彎曲變形與通入氣體壓力之間存在非線性關(guān)系，若控制關(guān)節(jié)的變形量在一定范圍內(nèi)，其非線性較小。為簡化控制，在工程誤差允許范圍內(nèi)可進行二次擬合處理。根據(jù)上式知(2-1)cbPal2(2-2)fed式中，a、b、c、d、e、f 為待定系數(shù)，由關(guān)節(jié)幾何和物理參數(shù)決定。2.2.3 關(guān)節(jié)運動速度控制柔性關(guān)節(jié)工作時，其運動速度就是關(guān)節(jié)的變形速度，可用關(guān)節(jié)中心軸長度的導數(shù) 和關(guān)節(jié)端面彎曲角度的導數(shù) 兩個變量表征。.l .當作為彎曲關(guān)節(jié)使用時，柔性關(guān)節(jié)存在兩種變形的耦合，涉及 和 兩個變量的.l.13 2 4 XZY 正屈 反伸內(nèi)收 外展北華大學學士學位論文8控制問題。從實際應(yīng)用角度，為簡化控制通常設(shè)置 P3=0，則運動速度的控制僅取決于氣體壓力 P1=P 的變化率。由上式可知當作為軸向驅(qū)動器使用時，柔性關(guān)節(jié)只有單一的軸向變形，其運動速度僅用表征。此時關(guān)節(jié)的控制問題相對簡單，由式可知，關(guān)節(jié)軸向變形的速度取決于壓l力變化的梯度。既 ldtl(2-3)t(2-4)(2-5)ldl通常情況，關(guān)節(jié)的速度控制是通過調(diào)整氣壓的變化梯度實現(xiàn)的（圖 2.4） 。如何保證速度要求和達到柔順控制是關(guān)節(jié)控制的關(guān)鍵問題。圖 2.4 氣體壓力控制方式2.2.4 關(guān)節(jié)驅(qū)動力控制關(guān)節(jié)驅(qū)動力控制，是通過氣體壓力調(diào)整和控制實現(xiàn)的，氣體壓力高驅(qū)動力大。根據(jù)驅(qū)動情況，驅(qū)動力與壓力成一定的非線性關(guān)系，控制式應(yīng)根據(jù)數(shù)學模型進行調(diào)整。當作為軸向驅(qū)動器使用時，關(guān)節(jié)整體軸向驅(qū)動力的控制，簡單的方法是采取氣體壓力控制的開環(huán)控制方式。當與被驅(qū)動的物體接觸后，根據(jù)公式模型，通過調(diào)整比例閥的壓力增量達到輸出驅(qū)動力的控制目的。若要實現(xiàn)驅(qū)動力的實時精確控制，可采用比例調(diào)壓和軸向力傳感器構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)。關(guān)節(jié)的動力學特性（質(zhì)量、和阻尼的影響）關(guān)節(jié)彎曲驅(qū)動力的控制，需要采取閉環(huán)控制方式。初步調(diào)整，依靠關(guān)節(jié)中設(shè)置的氣壓傳感器，精確調(diào)整通過在關(guān)節(jié)與被驅(qū)動物體接觸點處設(shè)置力傳感器。tp北華大學學士學位論文92.3 五指機械手氣壓控制系統(tǒng)2.3.1 五指機械手氣壓控制系統(tǒng)原理柔性五指機械手由 16 個柔性關(guān)節(jié)構(gòu)成，其中腕關(guān)節(jié)一個，指關(guān)節(jié) 15 個，共需控制 64 條人工肌肉。若實現(xiàn)機械手全部功能，需控制 64 個開關(guān)量和 16 個數(shù)字量變量，氣壓控制系統(tǒng)將較為復(fù)雜且價格高。即使是比較靈活和柔性的人類手指關(guān)節(jié)，也不是每一個關(guān)節(jié)都是獨立控制的，如遠指關(guān)節(jié)一般都與近指關(guān)節(jié)聯(lián)動。因此機械手的控制，可根據(jù)功能和動作要求對控制量進行必要的串并聯(lián)組合，達到優(yōu)化氣壓控制系統(tǒng)的目的。具體控制時，開關(guān)量采用兩位三通電磁換向閥進行控制，數(shù)字量采用比例壓力閥進行控制。圖中人工肌肉編號為三位數(shù)，其中個位數(shù)表示關(guān)節(jié)中人工肌肉編號，十位數(shù)表示手指中關(guān)節(jié)編號，規(guī)定 1 表示基關(guān)節(jié)、2 近指關(guān)節(jié)、3 遠指關(guān)節(jié)、w 腕關(guān)節(jié)，百位數(shù)表示手指編號，其中 l 表示拇指、2 食指、3 中指、4 無名指、5 小拇指。換向閥編號采用兩位數(shù)，其中個位數(shù)表示關(guān)節(jié)中人工肌肉編號，十位數(shù)表示手指編號。該氣壓控制系統(tǒng)共有 24 個電磁換向閥和 6 個比例閥，可對機械手完成抓、夾、彈等 12 個動作模式進行有效控制。其中，每個手指三個關(guān)節(jié)編號相同的人工肌肉采用串聯(lián)方式，由一個電磁換向閥控制其開關(guān)狀態(tài)，每個手指的四條氣路并聯(lián)由一個比例壓力閥進行控制，調(diào)整壓力值大小。其控制結(jié)果是每個手指的三個關(guān)節(jié)的運動實現(xiàn)了聯(lián)動，運動形態(tài)和程度是一致的。所構(gòu)建的氣壓控制系統(tǒng)優(yōu)點是，整個機械手的控制問題簡化為對類似 6 個關(guān)節(jié)的控制，且不影響各關(guān)節(jié)對物形的適應(yīng)性,能完成柔性機械手 80%以上的功能。氣壓控制系統(tǒng)得到大幅度簡化，并使手指處控制氣路的連接變得簡單易行，解決了柔性氣路和手指結(jié)構(gòu)緊湊的問題。同時也簡化了電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了整體控制系統(tǒng)成本。不足之處在于抓握時，不能有效地對手指各關(guān)節(jié)的位姿和驅(qū)動力進行獨立控制，將影響手指不同接觸點的受力分配和均勻性，也難以完成手指獨立彎擺，實現(xiàn)復(fù)雜繞、擰等運動的能力。北華大學學士學位論文10圖 2.5 五指機械手氣壓控制系統(tǒng)原理2.3.2 氣壓控制系統(tǒng)組成氣壓控制系統(tǒng)主要由 6 個比例閥和 24 個換向閥組成，所用元器件型號和數(shù)量見表 2-2。2.3.3 抓取功能控制要求與氣壓系統(tǒng)控制方案電磁閥的功能，是控制機械手動作的方式；按照抓取要求,通過機械手控制程序發(fā)出指令, 使手指相應(yīng)的電磁換向閥通電(表 2-3),實現(xiàn)所需要的抓取動作模式。比例閥的作用,是調(diào)整和控制動作的過程和程度。應(yīng)根據(jù)各手指動作位置、速度和夾持力的要求,采取升壓、保持、降壓和回零等策略,實現(xiàn)動作協(xié)調(diào)和完成動作要求。表 2-3 手指抓取功能與電磁換向閥控制動作要求拇指（YA） 食指（YA） 中指（YA） 無名指（YA） 小拇指（YA）動作11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 41 42 43 44 51 52 53 54五指 四指 三指 兩指 抓單指 表 2-4 手指動作功能與比例壓力閥的調(diào)壓要求拇指（1BL） 食指（2BL） 中指（3BL） 無名指（4BL） 小拇指（5BL）動作 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4五指 抓 四指 北華大學學士學位論文11三指 注：“”代表升壓；“”代表降壓；“”表示壓力保持；“”表示繼續(xù)升壓；“0”代表壓力為零。表 2-3 手指抓取功能與電磁換向閥控制動作要求名稱 型號 數(shù)量 廠家小型斷路器 DZ47-60 30 浙江正泰電器股份有限公司壓力傳感器 FSR400 4 件電磁換向閥 4V210-08 24 亞德客工業(yè)股份有限公司比例閥 1TV1050-012N 6 亞德客工業(yè)股份有限公司氣缸 TESTED SY 939 1氣管 4mm 50 米 山耐斯有限公司氣動快插接頭 spc4-01 30精密減壓閥 IR2020-02 1 SMC表 2-5 為機械手手腕府、仰、左擺和右擺等四個姿態(tài)的控制要求。其中,6lYA、62YA、63YA 和 64YA 四個電磁閥的通電狀態(tài)決定了手腕的姿態(tài)。姿態(tài)的啟、停、加速、減速和位置控制由比例閥(6BL)決定。表 2-5 手腕運動功能與氣動控制閥的動作要求2.4 多指柔性機械手控制系統(tǒng)方案比較機械手電氣控制系統(tǒng)需要對機械手各種動作模式下的抓取、夾取等操作任務(wù)的完成實施有效控制,包括動作模式速度和力的控制。方案一：采用開環(huán)控制系統(tǒng)通過預(yù)定控制量值的大小進行開環(huán)控制。采用開環(huán)控制的優(yōu)點是簡單、方便，系統(tǒng)簡潔，成本低廉。缺點是無反饋不能構(gòu)成系統(tǒng)回路，不能準確判斷實時控制的壓力，也不易甄別故障點；抗干擾能力下降，適應(yīng)不同的環(huán)境能力差，甚至不能勝任變化的環(huán)境，應(yīng)用范圍在。方案二：采用閉環(huán)控制系統(tǒng)通過控制壓力傳感器進行檢測實時的接觸抓取物時的壓力大小，來形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制的優(yōu)點是系統(tǒng)精度高，通過采集反饋數(shù)據(jù)能更好的適應(yīng)各種手腕動作61YA 62YA 63YA 64YA 比例閥(6BL)工作 0-0.35Mpa俯回零工作 0-0.35Mpa仰回零工作 0-0.35Mpa左擺回零工作 0-0.35Mpa右擺回零北華大學學士學位論文12環(huán)境，讓機械手的抓取力度能更精確，還可以通過得到的數(shù)據(jù)在上位機上畫出曲線，對被抓取物受力分析提供了有力的數(shù)據(jù)支持。缺點是整個系統(tǒng)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。方案比較：由于要適應(yīng)不同的抓取環(huán)境，面對不同的物體要有所不同的改變參數(shù)，并且要系統(tǒng)穩(wěn)定運行，所以選擇閉環(huán)控制。工業(yè)控制計算機：其控制方法是對過程變量進行周期掃描，向操作人員顯示全過程的信息，并通過計算為模擬量調(diào)節(jié)器設(shè)置給定值。優(yōu)點是：在要求快速、實時性強、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中占有優(yōu)勢。缺點是：工控機價格較高；PLC 控制：其控制方法是由電腦或便攜式編程設(shè)備編寫程序，稱之為 T 型圖，編寫好后用專用鏈接線導入 PLC，然后接通 PLC 控制電路，以 PLC 控制接觸器等控制設(shè)備。優(yōu)點是：靈活性和可擴展性很好。缺點是：PLC 適用于中、大型設(shè)備。單片機控制：單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。直接將它與外部信號相連，再附加一些配套的集成電路和 I/O 接口電路。優(yōu)點：適用于小型設(shè)備。缺點：硬件設(shè)計、軟件設(shè)計工作量相當大，要求設(shè)計者具有較強的計算機領(lǐng)域的理論知識和實踐經(jīng)驗；通過比較，結(jié)合本課題的研究指標，我采用單片機控制。2.5 本章小結(jié)本章首先介紹了柔性機械手完成了機械手氣壓控制原理、手指動作控制的選擇和控制系統(tǒng)的總體設(shè)計工作以及控制系統(tǒng)方案的確定。第三章 柔性機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1.1 總體控制方案設(shè)計由于機械手在抓取物體時要控制其抓取動作，同時各手指接觸物體時要實時感知手指的壓力，確保安全合理地抓取目標物體，因此，在機械手中各個手指相應(yīng)部位設(shè)置壓力傳感器，機械手的動力源為氣體；綜合機械手要求及輸入模擬量多的特點，其控制系統(tǒng)采用飛思卡爾芯片作為核心控制，外部傳感器信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換，并利用 CPU 實現(xiàn)系統(tǒng)的控制設(shè)計，同時為方便控制，系統(tǒng)具有鍵盤輸入、顯示及報警等功能。系統(tǒng)中氣壓傳感器和指尖壓力傳感器感知壓力變化并轉(zhuǎn)化成模擬電信號，通過北華大學學士學位論文13數(shù)據(jù)傳感器將模擬電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號提供給控制中心，CPU 得到橡膠管氣壓和手指壓力相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)的數(shù)學模型控制橡膠管氣壓的大小，相關(guān)的數(shù)據(jù)值可以在下位機上顯示，對于不同的抓取對象，設(shè)定參數(shù)有所不同，可以用鍵盤修改內(nèi)部參數(shù)，系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)圖如圖圖 3.1 控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖3.2.2 控制最小系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)需控制24個電磁閥、6個比例閥、5個壓力傳感器還有報警模塊，根據(jù)系統(tǒng)所需端口數(shù)量，核心控制選擇飛思卡爾芯片Kinetis K60系列MCU。Freescale公司Kinetis K60系列MCU,工作電壓1.71-3.6V,閃存的寫電壓為1.71-3.6V，采用ARMCortex-M4內(nèi)核,其性能可達到1.25DhrystoneMIPS/MHz。該系列提供高達180MHz 的性能和IEEE1588以太網(wǎng)MAC，用于工業(yè)自動化環(huán)境中的精確的、實時的時間控制。硬件加密支持多個算法，以最小的CPU負載提供快速、安全的數(shù)據(jù)傳輸和存儲。系統(tǒng)安全模塊包括安全密鑰存儲和硬件篡改檢測，提供用于電壓、頻率、溫度和外部傳感（用于物理攻擊檢測）的傳感器。KinetisK60 MCU主要用在工業(yè)如安全照相機，建筑物自動化控制和電梯控制屏以及醫(yī)療電子如心電圖(ECG)，生命信息監(jiān)測儀,運程醫(yī)療保健系統(tǒng)，心率監(jiān)視器，除顫儀，麻醉監(jiān)視器，呼吸機等。本文精選了Kinetis K60原理、教程、例程、設(shè)計案例，以及基于Kinetis K60的流行板卡，集結(jié)了國內(nèi)外官方資料和資深工程師的經(jīng)驗，是Kinetis K60 MCU的初學者必備寶典。飛思卡爾芯片主要功能模塊包括：核心控制M C 9 S 1 2 X S 1 2 8 M A AA / D 芯片T L C 2 5 4 3壓力傳感器F S R 4 0 0鍵盤輸入 顯示D / A 芯片T L C 5 6 1 86 個比例閥驅(qū)動2 4 電磁閥北華大學學士學位論文141）內(nèi)部存儲器2）2個異步串口通訊 SCI3）1個串行外設(shè)接口 SPI4）MSCAN 模塊5）1個8通道輸入/輸出比較定時器模塊TIM6）周期中斷定時器模塊PIT7）16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC8）1個8通道脈沖寬度調(diào)制模塊PWM圖 3.2 飛思卡爾最小系統(tǒng)實物圖S12XS128PWM 模塊介紹:PWM 調(diào)制波有8個輸出通道，每一個輸出通道都可以獨立的進行輸出。每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖的個數(shù)） ，一個周期控制寄存器和兩個可供選擇的時鐘源。每一個 PWM 輸出通道都能調(diào)制出占空比從0100% 變化的波形。PWM 的主要特點有：（1）它有8個獨立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期。（2）每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器。（3）每一個通道的 PWM 輸出使能都可以由編程來控制。（4）PWM 輸出波形的翻轉(zhuǎn)控制可以通過編程來實現(xiàn)。（5）周期和脈寬可以被雙緩沖。當通道關(guān)閉或 PWM 計數(shù)器為0時，改變周期和脈寬才起作用。（6）6、8字節(jié)或16字節(jié)的通道協(xié)議。（7）有4個時鐘源可供選擇（A、SA、B、SB） ，他們提供了一個寬范圍的時鐘頻率。（8）通過編程可以實現(xiàn)希望的時鐘周期。（9）具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能。北華大學學士學位論文15（10）每一個通道都可以通過編程實現(xiàn)左對齊輸出還是居中對齊輸出。圖 3.3 飛思卡爾 MC9S12XS128 最小系統(tǒng)電路圖3.2.2.1 晶振模塊單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。晶振電路如圖 3.4 所示1234567891012314516718920VRL61SA2P0/XD063S1/T4P2/R165S3/TXDE67PJ7/KWJ786/669PM5/SC0704/OI1P3/S72M2/I03P1/TXCAN/TXD1740/R0/R5VS176DXP7/WM7785/59P4/480PA04112P243A3P44556PA64778VD49S250PAD0/AN011/152P02/023AD3/AN354P4/04567589VH60PB5 2162P73PE7/CLKX2/CLKS24PE65526ECKL/PE47VSX28D9REST30VR1S32PLEXTA34L5VDP36E37P238IRQ/E19X/PO40MC9S12XS128MA135246BDM1HEAR 3X2+5GND0RVL1GND102C4220n 1%10310410uC1310uHL1 D161KR58GND+5GND103C3810410uC34GNDGND51R93.KR924.7KR8610R84REST10GNDVC10MR752P 1%2P 1%20n 1102C202YXTALGNDPA0PAPPAPB01P2B3P4PB56P7P01P23P45PPM01PMP45PMPS23TP1T2P3PT5PT67PADPADPPAD北華大學學士學位論文16圖 3.4 晶振電路圖3.2.2.2 復(fù)位模塊復(fù)位電路：單片機需要在上電之后給其一個復(fù)位信號才能正常工作，我們在開發(fā)和調(diào)試單片機系統(tǒng)時也往往要對它進行手動復(fù)位，而且當單片機系統(tǒng)供電電壓過低時，程序的運行會出現(xiàn)非正常的情況，要求我們在低壓時也必須對單片機系統(tǒng)進行復(fù)位，這樣我們必須為它設(shè)計一個復(fù)位電路，如圖 3.5 所示。圖 3.5 復(fù)位電路原理圖3.2.3 壓力傳感器的設(shè)計本設(shè)計要求機械手完成抓取規(guī)則物體的動作。以氣壓作為動力來源，控制氣壓的大小可以控制機械手位姿，從而達到抓取物體的目的。根據(jù)關(guān)節(jié)的彎曲原理，首先給整個機械手所有柔性關(guān)節(jié)通入 0.5MPa 的預(yù)壓。繼續(xù)增加橡膠管 1、2 內(nèi)的壓力（P1=1：1） ，手指彎曲。根據(jù)獲得的各指節(jié)末端的位置，可通過控制氣壓來控制機械手各指節(jié)的位置。由于采用了壓力傳感器，可時時采集到指節(jié)壓力的變化。當有壓力反饋值時（F 1=0） ，說明已接觸到物體。當壓力反饋值達到設(shè)定值時（ ） ，物體被抓/2NF起。壓力要小于可輸入最大值 。抓取物體動作完成，即給整體卸壓，機械手恢復(fù)3F到初始狀態(tài)。4.7K100.1uFKEYGND+5V10MR652P 1%2P 1%2Y1 GND3435北華大學學士學位論文17對于不同質(zhì)量和材質(zhì)的抓取對象，抓取力度有所變化。每個指尖上的壓力傳感器，來感知抓取壓力的大小，通過反饋數(shù)值與設(shè)定值比較，來決定是否增加橡膠管中的氣壓；橡膠管中的氣壓傳感器來獲取氣壓信號，與指尖的壓力傳感器相配合構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng) 14，如下圖 3.6 所示。圖 3.6 壓力控制原理框圖機械手的每個手指上設(shè)置有壓力傳感器，壓力傳感器采集的抓取壓力控制信號進行處理后為標準的電壓信號，信號送入 A/D 口，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后進入主控芯片。圖 3.7 FSR400 壓力感應(yīng)電阻傳感器機械手指壓力傳感器選用 FSR400 壓力感應(yīng)電阻傳感器件，其實物如圖 3.7 所示。當感應(yīng)面受到壓力時抗阻會相對下降，從而得到不同壓力數(shù)據(jù)。其傳感器特性：最大流率：連環(huán)電子，感應(yīng)區(qū)域：0.2 圈；輸出信號:被動式可變電阻；壓力感應(yīng)范圍:0到 10kg；壽命:大于 1000 萬次壓力感應(yīng)。根據(jù) FSR400 壓力感應(yīng)電阻傳感器件的動作特性曲線，將其壓力信號通過電路轉(zhuǎn)換為標準電壓信號，滿足控制要求，避免了高精度觸覺傳感器電路復(fù)雜等問題，傳感器感應(yīng)壓力與電阻變化曲線如圖 3.8 所示。壓 力 設(shè) 定 值 控 制 器 比 例 閥 壓 力信 號 放 大北華大學學士學位論文18圖 3.8 FSR400 傳感器感應(yīng)壓力與電阻變化曲線將壓力傳感器的壓力信號通過外接電源并配置適合的電阻，從而將實時壓力信號轉(zhuǎn)換為標準電壓信號，滿足設(shè)計機械手的控制要求，其中配置電阻約為 220 歐姆：其設(shè)計電路如圖 3.9 所示。 VC輸 入 信 號壓 力 傳 感 器圖 3.9 壓力信號轉(zhuǎn)換電路該傳感器厚度為 0.208 毫米，可彎曲和耐用，作為接觸測力傳感器使用較為合適。其外部材料是聚酯，傳導材料為銀，感測區(qū)內(nèi)部是使用電阻墨水。壽命 1 百萬次，線性誤差小于 5%，反應(yīng)時間小于 5 微秒；工作溫度-960 度；最大壓力 110N。工作中，壓力傳感器將其壓力信號通過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為標準電壓信號，滿足控制要求，其信號調(diào)理電路如圖 3.10 所示。20k51k10k5k10kLM358 LF412GNDGNDGND+12V-12V-12V+12V傳 感 器 A/D32 14XZabc圖 3.10 傳感器信號調(diào)理電路 圖 3.11 力傳感器位置從指端觀察，關(guān)節(jié)外貼片式測力傳感器分布如圖 3.11 所示。根據(jù)手指抓取物體時，接觸點受力發(fā)饋控制的需要，機械手共設(shè)置貼片式測力傳感器 11 個。其中，拇指上 2 個為 13a 和 13b；食指上 3 個為 23a、23b 和 23c；中指上 2 個為 33a 和33c；無名指上 1 個為 43a；小拇指上 2 個為 53a 和 53c。力傳感器用兩位數(shù)字編號，分別表示傳感器所在的手指和關(guān)節(jié)編號。3.2.4 運算放大器的選擇及接口電路設(shè)計壓力傳感器的輸出信號較弱，需要運算放大器將壓力傳感器的標準電壓信號放大后處理，針對壓力傳感器輸出的標準信號，LMV358 是通用型低電壓，軌到軌輸出放大器，選用圖 3.10 設(shè)計放大電路。LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件北華大學學士學位論文19下，電源電流與電壓電源無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組、音頻放大器、工業(yè)控制、DC 增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合內(nèi)部頻率補償。LM358 特性：直流電壓增益高(約 100dB)，單位增益頻帶寬(約 1MHz)，電源電壓范圍寬：單電源(330V)，雙電源(±1.5 一±15V)，低功耗電流，適合于電池供電,低輸入偏流，低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，共模輸入電壓范圍寬，包括接地差模輸入電壓范圍，寬等于電源電壓范圍,輸出電壓擺幅大（0 至 Vcc-1.5V)。LM358 主要參數(shù)：輸入偏置電流 45nA、輸入失調(diào)電流 50nA、輸入失調(diào)電壓2.9mV、輸入共模電壓最大值 VCC1.5V、共模抑制比 80dB、電源抑制比 100dB。20k51k10kLM358GNDGND-12V+12VVCGND壓 力 傳 感 器 FSR40圖 3.12 放大電路原理圖從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入單片機。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻 R3，通過調(diào)節(jié) R3 可以調(diào)整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點。放大電路采用 LM358 集成運算放大器，是為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，如圖 3.12 所示，前一級約為 10 倍，后一級約為 3 倍。溫度在 0-100 度變化，當溫度上升時，Pt100 阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓 Av 對應(yīng)升高。3.2.5 濾波的電路設(shè)計在實際的電子系統(tǒng)中，輸入信號往往是含有多種頻率成分的復(fù)雜信號，可能還會混入各種噪聲、干擾及其他無用頻率的性號，因此需要設(shè)法將有用頻率信號挑選出來，將無用信號頻率抑制掉。完成此任務(wù)需要具有選頻功能的電路。將信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波器，他能是特定頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，而阻止其他頻率信號通過，按照濾波器的工作頻率，濾波器可分為低通濾波器（LPF） 、高通濾波器（HPF） 、帶通濾波器（BPF）等。如果濾波器含有有源元件（晶體管、集成運算放大器等） ，側(cè)稱為有源濾波。本實驗就是利用低通濾波器的原理，設(shè)計電路，使其實現(xiàn)對輸入信號的篩選和截止，將無用的信號抑制掉。北華大學學士學位論文20濾波電路是一種能使有用信號通過而抑制無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它來做處理信號、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。而有源低通濾波器是允許低頻信號通過而抑制高頻信號的元件。它運用面積非常的廣泛，常被用作信號處理器。 本文以有源低通濾波器設(shè)計為例介紹了一種電路優(yōu)化設(shè)計的方法,通過優(yōu)化設(shè)計能使某些性能要求比較適當調(diào)試比較簡單的電路,使其降低元器件精度要求、簡化調(diào)試、提高性能。實驗設(shè)計思路：采用計算法設(shè)計有源低通二階濾波器，其電路從集成運放輸出到同相輸入間引入一個負反饋，該反饋使改濾波器只允許低頻端的信號通過，實現(xiàn)低通濾波。用查表法設(shè)計，已知電路響應(yīng)特性、形式、類型及階數(shù)、濾波器性能參數(shù)，再根據(jù)截止頻率，選定電容標稱值，查表求出相應(yīng)電容值及電阻值，通過計算得到設(shè)計值以確定電路參數(shù)。圖 3.13 濾波電路原理圖選擇運放：為了減少負載對濾波電路的負載效益，同時便于調(diào)整，我選用具有JFET 作輸入級的低調(diào)，高輸入阻抗運放的 LF412。電路原理圖如 3.13，要求截止頻率為 100HZ，為了波特圖能夠更好的平穩(wěn)，我選擇 Q 值為 0.707，選擇電容器的容量，計算我選擇 C1=C3=0.01 ,則根據(jù)根式得:FR1=R2=16K (3-1)低通濾波傳遞函數(shù)為:(3-2)csKW)(3.2.6 A/D 的選擇及接口電路設(shè)計為了記錄同一時刻機械手各手指的動態(tài)參數(shù)，以評價、分析和控制其性能，需要進行模擬量的采樣，并將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換、光耦進入 CPU。具體方法是選用采樣保持電路實現(xiàn)同步保持。信號采集過程如圖 3.14 所示。5k10kLF412GND+12V-12V 1AIN0213I24AN35I4657AIN68I79I810GND1AIN921013REF-4+15CS6OUT17INP8CLK19EO20VCTLC110k GNDLM358北華大學學士學位論文21放大C P U外部模擬量濾波A/ D 轉(zhuǎn)換光耦圖 3.14 信號采集A/D 采樣電路選用 12 位 11 路串行 TLC2543，每個通道轉(zhuǎn)換時間為 10 ，I/Os時鐘最高能達到 3 ，完成 11 路模擬量的采集，采樣保持電路選擇 LF398 采樣sMbit/保持器，其主要技術(shù)指標有： 5 18V 工作電壓， 采樣時間。s10壓力傳感器的輸出信號經(jīng)過放大、濾波和隔離處理后，CPU 想要采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)就需要將模擬量信號準換為數(shù)字量信號，這就需要 A/D 轉(zhuǎn)換電路。TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成 A/D 轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單片機 I/O 資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。實物圖如圖所示圖 3.15 TLC2543 芯片1AIN02I13AIN24I35AIN46I57AIN68I79AIN810GD1AIN92I1013REF-4+15CS6OUT17INP8CLK19EO20VCTLC2543GND 5V5VPAD01PAD2PAD4圖 3.16 TLC2543A/D 轉(zhuǎn)換原理圖3.2.7 比例閥的選擇及接口電路設(shè)計氣動比例調(diào)壓閥選用 ITV1050-012 型，可調(diào)節(jié)壓力范圍為 0.0050.9MPa。其工作電壓直流 24V，輸入調(diào)節(jié)電流 4-20mA。按著設(shè)定，由控制器輸出信號經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后通過氣動比例閥控制機械手所需的壓力，控制器同時控制五個手指及手腕的兩位三通電磁閥。兩位三通電磁閥以比例閥提供的壓力,由控制器發(fā)出信號經(jīng)隔離和驅(qū)動電路控制導通關(guān)斷,按工作任務(wù)順序完成控制任務(wù)。氣動比例調(diào)壓閥系統(tǒng)組成如圖 3.17 所示,北華大學學士學位論文22由先導式調(diào)壓閥,二位二通高速開關(guān)閥,氣壓傳感器,控制電路等組成。其中控制電路以 FeeescaleMC9S12 微控制器為核心,包括壓力信號的放大、開關(guān)閥電磁鐵的驅(qū)動電路、PC 機通訊、按鍵控制等組成。比例閥工作原理：圖 3.17 氣動調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)簡圖系統(tǒng)開始工作時，由鍵盤輸入調(diào)壓閥調(diào)整壓力，壓力傳感器檢測調(diào)壓閥出口壓力，當檢測壓力小于調(diào)整壓力時，高速開關(guān)閥中進氣閥打開，排氣閥關(guān)閉，向調(diào)壓閥先導腔供氣，調(diào)壓閥主閥芯下移，出口壓力升高。同時，壓力值由傳感器檢測反饋給控制電路，控制器以檢測值與預(yù)定值的偏差量 e 為基礎(chǔ)，通過 PID 算法控制PWM 脈沖寬度,根據(jù)占空比驅(qū)動進氣閥和排氣閥的開關(guān)時間，實現(xiàn)對先導腔壓力的控制。直到偏差量 e 為零時，進氣閥、排氣閥均關(guān)閉，調(diào)壓閥出口壓力穩(wěn)定在預(yù)定值，工作流程如圖 3.11 所示。PID控 制 調(diào) 壓 閥進 、 排 氣 閥PWM控 制壓 力 傳 感 器 系 統(tǒng) 壓 力 出 口輸 入 信 號 +e-圖 3.18 工作流程圖PID 控制算法：由于氣動系統(tǒng)非線性因素較多，不易建立精確的數(shù)學模型，本系統(tǒng)采用增量式數(shù)字 PID 算法，避免了這一麻煩，參數(shù)整定選定歸一法參數(shù)整定，便于工程調(diào)試。e(KT)= -x(KT) (3-3)(KTu(KT)=kp×2.45×e(KT)-3.5×e (3-4)(K-1)T+1.25×e(K-2)T (3-5)式中：e(KT)-偏差量；Input)-輸入信號量；x(KT)-反饋量；u(KT)-控制器增量；控 制 電 路輸 入 信 號電 源 氣 壓 傳 感 器先 導 式 調(diào) 壓 閥進 氣 閥 排 氣 閥北華大學學士學位論文23kp-整定參數(shù)。PWM 驅(qū)動：系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制(PWM )信號來驅(qū)動兩個高速開關(guān)閥(進氣閥和排氣閥)的開閉時間,控制先導腔壓力。進氣閥開啟時間為 T1，排氣閥開啟時間為 T2=T-T1，PWM 采用異步驅(qū)動方式,即進氣閥和排氣閥不同時工作。當 u(KT)0 時，對先導腔加壓控制，出口壓力升高；當 u(KT)0 時，對先導腔減壓控制，出口壓力降低；u(KT)=0 時，進氣閥與排氣閥均關(guān)閉，出口壓力穩(wěn)定。性能試驗：經(jīng)過試驗和分析，系統(tǒng)采樣頻率選定 120Hz，取 8 個采樣值軟件遞推平均濾波，氣源壓力 0.2MPa，設(shè)定調(diào)整壓力 0.35MPa，通過出口壓力測量，得到動態(tài)響應(yīng)曲線。3.2.8 D/A 的選擇及接口電路設(shè)計比例閥由電流控制，輸入電流需經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，在經(jīng)過提升電路后進入比例閥，結(jié)合本設(shè)計我選用TLC5618芯片實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，TLC5618是帶有緩沖基準輸入的雙路12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過CMOS兼容的3線串行總線，可對TLC5618實現(xiàn)數(shù)字控制。器件接收的用于編程的16位字的前4位產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳送模式，后12位產(chǎn)生模擬輸出。輸出電壓為基準電壓的兩倍，且單調(diào)變化。數(shù)字輸入端帶有斯密特觸發(fā)器，具有較高的噪聲抑制能力。數(shù)字通信協(xié)議包括SPITM、QSPITM和MICROWIRETM標準。TLC5618在5V電源下工作，功耗極低(慢速方式3mW,快速方式8mW)，并具有上電復(fù)位功能?？捎糜谝苿与娫?、測試儀表、自動測試控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。TLC5618的特點：1）5LSB 的建立時間為 2.5ms 或 12.5ms2）8 引腳封裝內(nèi)有兩路 12 位 CMOS 電壓輸出 DAC、DACA 和 DACB 同時更新3）高阻抗基準輸入,范圍 1VDD-1.1V4）電壓輸出范圍是基準輸入電壓的 2 倍5）1.21MHz 的輸入數(shù)據(jù)更新速率圖 3.19 TLC5618 芯片北華大學學士學位論文24控制系統(tǒng)將運行各個部分的狀態(tài)量采集到控制核心，根據(jù)控制要求輸出控制信號，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對機械手的運動控制。選擇雙通道 12 位串行 D/A TLC5618，能夠輸出二倍基準電壓的電壓信號，通過 CMOS 兼容的 3 線串行總線實現(xiàn)數(shù)字控制。由于 TLV5618 的參考電壓范圍為 V，典型值為 V，因此基準源 REF192 輸7.10024.1出的 V 電壓要通過精密電阻分壓得到 V，再接 TLV5618，信號放大后將其輸出 05.225.-5V 電壓轉(zhuǎn)換為 4-20mA 控制比例閥。DIN1SCLK23OUTA4 GND5RCF6OUTB7VC8TLC5618 +5VGNDGND 10GNDR93比 例 閥 1TV105-012NGND10K圖 3.20 TLC5618D/A 轉(zhuǎn)換原理圖3.2.9 光耦隔離的設(shè)計機械手動作需要 CPU 控制電磁閥動作，由于 CPU 和電磁閥的電平不匹配，故采用由于光電耦合器電路，隔離、驅(qū)動電磁閥動作，且提高信號抗干擾能力強，又使其不受信號源是否接地的限制。TLP521：光耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED） ，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。TLP521 的原邊相當于一個發(fā)光二極管，原邊電流 If 越大，光強越強，副邊三極管的電流 Ic 越大。副邊三極管電流 Ic 與原邊二極管電流 If 的比值稱為光耦的電北華大學學士學位論文25流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。作反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導致副邊電流變化”來實現(xiàn)反饋,因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過光耦實現(xiàn)反饋。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對運行參數(shù)的敏感度太強，不利于電路的穩(wěn)定