一種欠驅動五指靈巧手控制系統技術方案

一種欠驅動五指靈巧手控制系統，采用AT89?C51單片機實現微型直流電機的PWM調速控制，電機能按照設定值運轉，并能實現正反轉控制，同時電機的轉速能通過編碼器反饋給單片機，實現速度的閉環控制。該控制系統創建了基于單片機的直流電機PWM調速系統，控制電路簡單，編程便捷、容易，控制效果良好。

Underactuated thumb dexterous hand control system

An underactuated five fingered dexterous hand control system, PWM control using AT89 C51 MCU micro DC motor, the motor can operate according to the set value, and can achieve positive control at the same time, the motor speed feedback to the microcontroller through the encoder, realize the closed loop control of speed. The control system creates a DC motor PWM speed regulation system based on single chip microcomputer. The control circuit is simple, the programming is convenient and easy, and the control effect is good.

【技術實現步驟摘要】
一種欠驅動五指靈巧手控制系統所屬
本專利技術涉及一種欠驅動五指靈巧手控制系統，適用于機械領域。
技術介紹
機器人靈巧手是為多任務而研究開發的一種智能型通用機械手，作為末端夾持機構，通過直接作用于目標對象來實現對目標的抓握，在太空探索、核能開發、醫療康復器械等諸多領域均有廣泛的應用。隨著科技水平的不斷進步，靈巧手的研究逐漸成為機器人領域一個專門的研究領域，其研究工作取得了較大的進展，并取得了許多有應用價值的成果，如Stanford/JPL手、Utah/MIT手、Gifu手、HIT靈巧手、BH靈巧手等。以Gifu手為例，其自由度以及所需驅動器數量較多，盡管其可以靈活自主地抓取物體，且具有較好的抓取穩定性，但在整個手掌以及手指內側中布置了大量的觸覺傳感器，通過增加控制系統和傳感器的要求來滿足抓取物體時對其形狀和尺寸的自動適應，成本高。實際上，人手是一個多冗余信息的活動體，其關節間運動存在著相關性，希望以有限的自由度充分反映手部信息，因此有必要對手的運動進行分析。特別是末端指關節和近掌指關節的運動關系非常密切，即近端指關節運動時對遠端指關節的運動產生影響。為同時兼顧靈活性和輕便性，國內外的專家學者提出了欠驅動靈巧手機構，從欠驅動系統的角度進行其運動關系分析，對減少一個驅動元件具有重要意義。所謂的欠驅動掃L構即獨立控制驅動單元數量少于系統的自由度數的機構，手指通過彈簧和限位元件實現手指的自適應抓握，在節約能量、降低造價、減輕質量、增強系統靈活性等方面都較完全驅動系統優越。目前，國內外也出現了一批具有代表性的欠驅動機械手，例如，巴瑞特手爪是一種由齒輪、蝸輪、蝸桿、滑輪和繩索構成的欠驅動手爪，所有伺服系統和控制器都安裝在機械手的內部，手指下關節的彎曲是通過齒輪機構實現的，手指上關節的彎曲是通過齒輪帶動蝸桿和渦輪，再由蝸輪帶動滑輪和繩索驅動，不但能夠完成一般的外部包絡抓取，其手指還可以伸人物體內部并向外張開，從而實現內部抓取。清華大學的研究人員設計的欠驅動擬人機器人手TH-1，電機、驅動與控制系統等完全嵌人手掌，在外觀與尺寸上均與人手相似，可完成常見的伸展、握拳、以適當的力穩定地抓取不同尺寸物體等擬人動作。但欠驅動手指通過彈簧和限位元件實現手指的自適應抓握，同時也受彈性元件和限位元件的影響，導致機器人手指的精確控制，軌跡跟蹤有一定難度，因此，選取合理的簡化結構和控制手指運動方式及表現形式，是欠驅動手指控制功能實現、簡便實用的重要任務。
技術實現思路
本專利技術提出了一種欠驅動五指靈巧手控制系統，創建了基于單片機的直流電機PWM調速系統，控制電路簡單，編程便捷、容易，控制效果良好。本專利技術所采用的技術方案是。所述控制系統采用AT89C51單片機實現微型直流電機的PWM調速控制，電機能按照設定值運轉，并能實現正反轉控制，同時電機的轉速能通過編碼器反饋給單片機，實現速度的閉環控制。所述控制系統的硬件電路主要包括PWM信號發生電路、電機驅動電路、速度反饋檢測電路、鍵盤與顯示等幾個部分。其中，PWM信號發生電路，主要在單片機電路與電機驅動放大電路之間加入高速光電隔離器件，產生PWM信號，并將PWM信號倒相，即PWM信號中的高電平持續時間部分對應直流電機的斷電時間。利用光電隔離實現驅動電路與單片機之間的隔離，提高控制系統的可靠性及抗干擾性。盡管數字電路輸出的電壓可以滿足系統的需求，但是電流很小，對于直流小功率電機的驅動下不能直接采用數字電路輸出的電壓進行驅動，需要進行功率放大，控制直流電機的電樞電壓，進而驅動直流電機轉動。功率放大驅動電路采用大功率達林頓管TIP122，達林頓管的驅動采用了光電隔離將微型直流電機的工作電源與單片機系統的工作電源隔離開來，以免影響控制部分電源的品質，并在達林頓管的基極加三極管驅動，可以給達林頓管提供足夠大的基極電流，提高了系統的可靠性。所述控制系統采用4個達林頓管組成直流電機的正反轉控制電路，I02口為“0”，I01口輸入PWM波時，電機正轉，通過改變PWM的占空比可以調節電機的速度。當I02口為“0"，I02口輸入PWM波時，電機反轉，同樣通過改變PWM的占空比來調節電機的速度。所述控制系統采用脈沖檢測法，在電機的主軸上安裝編碼器。當電機轉動時，編碼器輸出脈沖信號，送入AT89C51的計數器對脈沖進行計數。為了實現直流電機正反轉控制，不僅要考慮轉速脈沖的計數，還要能夠檢測出直流電機的轉動方向。電路用兩個槽型光藕產生4路信號送入LM393中進行處理，碼盤轉動，使光藕輸出連續脈沖，LM393的兩個輸出端就會產生連續的脈沖信號。由于反饋的作用，會使這兩路脈沖輸出信號具有一定的相位差。LM393兩路輸出的信號分別為A,B相脈沖，當電機正轉時，A相脈沖的相位總是超前于B相脈沖的相位，反轉時，B相脈沖的相位超前于A相脈沖的相位。這樣，把A,B相脈沖接到AT89C51的輸入接口。本專利技術的有益效果是：該控制系統創建了基于單片機的直流電機PWM調速系統，實現了欠驅動五指靈巧手的彎曲/伸展與內收/外展運動，實現了欠驅動五指靈巧手的彎曲/伸展與內收/外展運動，控制電路簡單，編程便捷、容易，控制效果良好。附圖說明圖1是本專利技術的控制系統原理圖。圖2是本專利技術的直流電機功率驅動電路。圖3是本專利技術的電機轉速反饋電路。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步說明。如圖1，控制系統用AT89C51單片機實現微型直流電機的PWM調速控制，電機能按照設定值運轉，并能實現正反轉控制，同時電機的轉速能通過編碼器反饋給單片機，實現速度的閉環控制。控制系統的硬件電路主要包括PWM信號發生電路、電機驅動電路、速度反饋檢測電路、鍵盤與顯示等幾個部分。其中，PWM信號發生電路，主要在單片機電路與電機驅動放大電路之間加入高速光電隔離器件，產生PWM信號，并將PWM信號倒相，即PWM信號中的高電平持續時間部分對應直流電機的斷電時間。利用光電隔離實現驅動電路與單片機之間的隔離，提高控制系統的可靠性及抗干擾性。盡管數字電路輸出的電壓可以滿足系統的需求，但是電流很小，對于直流小功率電機的驅動下不能直接采用數字電路輸出的電壓進行驅動，需要進行功率放大，控制直流電機的電樞電壓，進而驅動直流電機轉動。功率放大驅動電路采用大功率達林頓管TIP122，達林頓管的驅動采用了光電隔離將微型直流電機的工作電源與單片機系統的工作電源隔離開來，以免影響控制部分電源的品質，并在達林頓管的基極加三極管驅動，可以給達林頓管提供足夠大的基極電流，提高了系統的可靠性。如圖2，控制系統采用4個達林頓管組成直流電機的正反轉控制電路，I02口為“0”，I01口輸入PWM波時，電機正轉，通過改變PWM的占空比可以調節電機的速度。當I02口為“0"，I02口輸入PWM波時，電機反轉，同樣通過改變PWM的占空比來調節電機的速度。如圖3，控制系統采用脈沖檢測法，在電機的主軸上安裝編碼器。當電機轉動時，編碼器輸出脈沖信號，送入AT89C51的計數器對脈沖進行計數。為了實現直流電機正反轉控制，不僅要考慮轉速脈沖的計數，還要能夠檢測出直流電機的轉動方向。電路用兩個槽型光藕產生4路信號送入LM393中進行處理，碼盤轉動，使光藕輸出連續脈沖，LM393的兩個輸出端就會產生連續的脈沖信號。由于反饋的作用，會本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種

【技術特征摘要】
1.一種欠驅動五指靈巧手控制系統，其特征是：所述控制系統用AT89C51單片機實現微型直流電機的PWM調速控制，電機能按照設定值運轉，并能實現正反轉控制，同時電機的轉速能通過編碼器反饋給單片機，實現速度的閉環控制。2.根據權利要求1所述的一種欠驅動五指靈巧手控制系統，其特征是：所述控制系統的硬件電路主要包括PWM信號發生電路、電機驅動電路、速度反饋檢測電路、鍵盤與顯示等幾個部分。3.根據權利要求1所述的一種欠驅動五指靈巧手控制系統，其特征是：所述PWM信號發生電路，主要在單片機電路與電機驅動放大電路之間加入高速光電隔離器件，產生PWM信號，并將PWM信號倒相，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏瑩，
申請(專利權)人：魏瑩，
類型：發明
國別省市：遼寧,21