仿人机械手电气控制系统设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇仿人机械手电气控制系统设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：本文以仿人机械手运动控制系统为研究对象，提出了针对机械手运动控制系统的设计方案。重点放在了控制系统的构成和设计方面。系统以STC15F204EA单片机为控制核心，通过位置及力矩传感器采集检测机械手对被抓物体的夹紧力的大小，反馈给单片机运算得出机械手指运动位移量并发出指令给驱动器，带动微电机运转，实现机械手的物体抓握。

关键词：仿人 机械手 单片机STC15F204EA 驱动器 步进电机

中图分类号： TP241 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2015）04（a）-0000-00

中国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，把“服务机器人”研发作为重点项目。机械手是“服务机器人”的关键部位，在各种护理机器人、陪护机器人、中医按摩机器人中，机械手是机器人完成“服务”任务必不可缺的一部分。设计并制造具有感知能力的拟人化机器手，并对拟人机械手的材质、机械结构、控制技术进行了深入的调查研究。将微小型步进电机和齿轮减速器引入拟人化灵巧机械手设计结构中，实现机械手的大扭矩抓取和拟人化；机械手装有位置、力、力矩等多种传感器，可实现机械手认知能力，且所有部件均集成在手指和手掌内。开发具有认知能力的拟人化灵巧机械手集机、电、计算机软硬件、信号源处理于一体。有5个相同结构的模块化手指，具有拟人化手形外观及认知抓取能力。通过对拟人化灵巧机械手的研究，带动更多前沿学科与机器人技术的交叉和融合，促进我国“机器人”的进一步发展，提高其技术水平和国际竞争力。

1 仿人机械手工作机理分析

仿人机械手主要由手掌、手指机构、拇指机构和所有的手指驱动机构组成。手掌内放的驱动直流小电机，节约了手的空间，缩小了体积；手指机构包括小指、无名指、中指和食指，它们都由相同的构件组成，包括两个关节前指和后指，前指和后指使用螺钉连接，可以减小手指的大小。各指之间使用轴连接，用轴套保持之间的距离，防止发生碰撞。拇指机构是单独的零件体，单独与四指机构用连杆连接，减小了机构的复杂性，有利于优化机构。传动机构包括电机轴齿轮、减速齿轮、驱动手指机构的半齿和带动拇指的连杆组成。仿人机械手运动的过程是以手掌为基座，电机固定在手掌内，带动齿轮实现各级减速，半齿连接在四指上，当半齿转动时带动四指张合，四指和拇指是由连杆连接，所以四指动的时候拇指也随之而动，且与四指相反，从而最终实现物体抓握。

2仿人机械手控制系统硬件设计

2.1控制系统硬件结构设计

图3-1仿人机械手控制系统结构框图

如图3-1所示为基于单片机系统设计的仿人机械手控制系统的结构框图。其工作方式如下：

其中MCU为单片机处理器，信号采集模块包括位置传感器模块和力矩传感器模块。这两个传感器模块的主要功能是检测对被抓物体的夹紧力地大小，同时生成模拟量的电信号，然后再通过单片机内部自带有的A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，单片机将得到的数字信息存储起来，等到要处理的时候进行处理。

当单片机根据采集到的夹紧力对应的电压信号来算得手指的运动的位移，向外部驱动电路发送不同的位移信息。外部的电机驱动器将接收到的数字信息进行处理，最后进行对电机运行的控制。

2.2控制器芯片的选择

在设计控制系统的过程中，对控制芯片的选择至关重要，从系统的稳定性，性能和价格等方面考虑选择STC15F204EA单片机。

STC15F204EA系列单片机是STC公司生产的单时钟机器周期的单片机，是高速、高可靠、低功耗、抗干扰的新一代8051单片机，可设置5MHZ-35MHZ宽范围频率，可彻底省掉外部昂贵的晶振，自带8路高速A/D转换功能，无需在系统再搭建模数转换电路。

2.3电机驱动模块的设计

2.3.1驱动芯片的选择

L293是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载；该芯片可以驱动两台直流电机。引脚P1用于M1电机PWM输入控制，引脚P2用于M2电机PWM输入控制。

2.3.2单片机与驱动器之间的接线与参数设置

本文所采用的单片机STC15F204EA可以控制驱动器L293驱动两台微电机。分别是M1和M2。引脚P1、P2可用于接收单片机输出的PWM脉宽调制信号以实现对电机进行调速控制。实现电机正反转是通过D1和D2两个端口控制的，输入信号端D1接高电平，电机M1正转，如果接低电平，电机就反转。控制另一台电机是同样的方式，驱动器L293输入信号端D2接高电平，电机M2正转，反之则反转，PWM信号端P1控制电机M1速度，PWM信号端P2控制电机M2速度。下图3-2为仿人机械手控制系统接线原理图，详细地绘制了单片机控制驱动器并连接两台电动机的工作过程。

图3-2 控制系统接线原理图

3控制系统软件设计

本控制系统所采用STC15F204EA单片机对应晶振为12MHZ，利用定时器控制产生占空比可变的PWM脉冲信号。PWM输出范围为0% -100%，PWM的周期1ms，频率1KHZ，且输出低电平有效。

如下是控制机器人左右机械手运动的两台直流电机PWM调速的部分程序

#include；

Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：启动或停止；

Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正转或反转；

Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；

Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM减一；

Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：启动或停止；

Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正转或反转；

Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；

Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM减一；

//输出控制引脚；

Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的输出脚；

sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：电机转向控制；

sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的输出脚；

sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：电机转向控制；

sbit BEEP=P3^7；//蜂鸣器；

//电机的占空比；

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

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

主程序

Void main（void）

{

PWM_INIT（）：//PWM初始化

While（1）

{

KEY_SCAN（）：//按键扫描

}

}

4结论

本文设计了一种仿人机械手运动控制系统，该系统充分利用了仿人机械手结构简单、体积小、重量轻，拆卸方便，各手指间都可安装传感器的优点，能使控制更加灵活，安全性增强，满足了仿人机械手对控制系统的要求。以STC15F204EA单片机为控制核心，通过与位移及力矩采集模块之间的通信，实现了信息的良好通讯。通过驱动芯片L293驱动步进电机运转实现对机械手抓握物体的良好控制。

参考文献

[1] 蔡自兴机器人学.2009.

[2] 高焕兵，鲁守银，王涛。中医按摩机器人研制与开发【期刊论文】-机器人 2011（05）

[3] 陈殿生，刘静华，殷兰兰。服务机器人辅助老年人生活的新模式与必要性 2011（02）

[4].高微，杨中平，赵荣飞。机械手臂结构优化设计【期刊论文】-机械设计与制造 2006（01）

[5]周惠明。关节机械手的结构创新设计【期刊论文】-煤矿机械 2007（10）

[6]满翠华，范迅，张华。类人机器人研究现状和展望【期刊论文】-农业机械学报 2006（09）

[7]邓志东，程振波。我国助老助残机器人产业与技术发展现状调研【期刊论文】-机器人技术与应用 2009（02）

[8]余顺年，马履中，陈扼西。新型串并联中医推拿机器人研究【期刊论文】-中国机械工程 2005（19）