毕业论文-三关节仿生机械手指的设计

三关节仿生机械手指的设计PAGE3三关节仿生机械手指的设计【摘要】本文的设计采用直流减速电机驱动机械手指动作，利用具有PWM（脉宽调制）功能的MCU作为控制单元，使用微型电位器作为手指动作绝对位置的反馈，实现对手指动作的反馈控制。【关键词】三关节机械手指减速电机反馈控制引言现代生活中，机械手臂和机械手的应用越来越多。机器人视觉技术的进步，使得机器人能识别更多的物体，进而完成更多的任务；另一方面利用脑电波分析技术的提高和神经的电极植入技术，从人的大脑，或者残疾人的残肢处获取信号，人类越来越可能通过意识直接控制机器的运作，从而实现残疾人的“断臂再生”。机械手臂则是这些控制系统的执行机构。因此如何制造一个多功能灵活的机械手臂作为就成为了完成整个智能手臂系统的关键技术。机械手臂和机械手广泛地应用在工业生产中，用来完整一些重复程度高，或者要求精度高的加工任务，但是这些机械手只能完成某种事先设定的某种固定的任务；而且执行抓取、握持等动作的时候，也大多也靠真空吸盘、电磁铁等非机械部件来实现，而这些只能针对特定的目标物体才能使用，而不具有普遍适用的能力。机器人的机器手和残疾人的假肢的需求则不同，他需要使用抓取的方式拾取目标物体，从而可以适应不同的材质，形状，硬度。仿生机械手更接近人们的使用习惯，也更容易直接使用为人手所设计的工具，使得机械手的功能范围得到扩展。而且从美学上来说，仿生的机械手作为残疾人的假肢，更容易为人们所接受。然而仿生机械手的跟传统的工业用机械手相比，在设计制造上更加困难。首先仿生机械手手指的关节更多，以便能实现更多的自由度，这样就要求每个关节的尺寸更小，只能采用微型的马达来产生动力。机械手的手指形状也限制了手指的传动方式，狭小的内部空间限制了传动方式无法采用传统的液压气压等方式，只能采用微型的齿轮组。第一章机械部分的设计制作1.1动力部件的选择机械手指的动作幅度小，一般在半圆周以内。但是需要动作精度高，夹起物体的时候需要的扭力大，因此需要减速型的电机。 N20正向减速电机N20反向减速电机在市场上找到的两种微型的直流减速电机。第一种减速箱的输出轴和电机的输出轴方向同向，这种减速电机的特点是纵向比较长，可以纵向布置在指节的内部。输出方向和机械手指节转动的方向是垂直的，需要在输出轴的位置增加伞齿轮来转换输出方向。第二种减速电机的减速箱输出啊方向和电机轴的方向相反，这种电机纵向比较扁平，因此可以横向布置在指关节的内部，而且可以直接利用输出轴驱动下一级的手指屈伸，使用第二种减速电机相比第一种，结构更加简化，缩短了每节手指的最短长度。1.2结构材料的选择机械手指的材料是整个系统的支架，起到包含和支撑动力部件的作用。提取较重的物体时，零件承受的力量比较大，为了保证手指有较高的强度，选用金属材料。整块的金属材料难以加工成型，而金属板材更易获得，加工的工艺也多种多样，可以冲压，线切割，其中冲压更容易实现批量生产。因为是设计制作验证阶段，需要的量不大，也为了能有更高的精度，机械手指的机械部分使用线切割机进行加工。同时保证机械结构有较小的空虚位间隙，有利于控制系统的调节。1.3零件形状的设计板材的加工图纸的设计借助CAD软件，可以直观的模拟出加工后的效果，也利于尺寸的精确控制。板材的连接困难，由于板材比较薄，制作螺纹困难，而且考虑到内部还要容纳电机和减速器，使用螺钉也会挤占内部的空间，因此放弃螺钉固定零件的方案。而焊接固定的方式则会导致零件无法拆卸更换，不利于调试和维护。经过研究后发现燕尾连接的方式比较适合板材的链接，只需要在设计时在两个零件的连接处设计倒梯形的形状，在组装时，两个零件就可以铆接在一起，并且无缝隙，不占用多余的空间。下图为设计的机械手指支撑骨架结构的图纸。1.4零件的加工板材按照设计的轮廓进行切割。值得注意的是，考虑到线切割加工之后要进行弯折加工。由于采用的不锈钢板材具有很好的韧性。弯折的时候可能会在需要弯折区域的周围发生有害的形变，导致零件的精度下降，影响手指内部零件的空间分布。因此在设计线切割图纸的时候可以在弯折的部位制造凹槽，使得弯折时应力集中，形变主要发生在有凹槽的区域。将切割好的板材按照弯折线的位置，向上弯折90度，就可以得到机械手指支撑骨架的两个重要零件。1.5零件的组装两个弯折完毕的零件一上一下扣在一起，并从侧面施力，使燕尾嵌入燕尾槽，完成了一个机械手指关节单元骨架的组装。1.6手指单元的连接图（2-3）为组装完毕的机械手指关节实物。若在两个支撑零件组合之前装入动力部件，就是一个完整的可控制输出角度的关节单元。将多个关节依次连接，并将转轴部分的孔扣入有键槽的减速电机输出轴上，就完成了多个指关节的级联。第二章控制电路的设计2.1直流电机的正反转控制手指的伸展和弯曲动作，对应直流马达的正传和反转。为了实现马达双向转动控制，需要使用全桥电流来对马达进行控制，他的原理是使用四个开关管，来控制加载马达两端电压的方向。利用互补的三极管构成的全桥电路，只要给出控制信号，就能控制通过马达电流的方向。例如下图，控制Q1，Q4导通，就能实现马达的正向转动，经过减速齿轮传动，带动机械手指弯曲。切换控制信号的极性，就能使另一对对角的三极管导通，实现马达的反转，最终控制机械手指伸展开。2.2驱动电路设计 驱动直流电机需要较大的电流，而控制芯片输出的高低电平信号电压低，电流小，是无法直接驱动直流电机的。借助大电流电机专用的驱动芯片L9110，可以获得比较好的驱动效果。L9110是为控制和驱动电机设计的双通道推挽式功率放大专用集成电路元件，集成了完整的H桥驱动，这样使得外围电路简洁，提高了电路的可靠性。L9110有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110

被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。L9110具有低静态工作电流；宽电源电压范围：2.5V-12V；每通道具有800mA连续电流输出能力；较低的饱和压降；TTL/CMOS输出电平兼容，可直接连CPU；输出内置钳位二极管，适用于感性负载；控制和驱动集成于单片IC之中；具备管脚高压保护功能；

引脚功能逻辑功能图电路连接图2.3直流电机调速电路 电机调速使用PWM调速的方式。PWM是“脉冲宽度调制”的简称，它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。使用这种调制技术控制简单，动态响应好等优点。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。上图（）是一个单片机产生占空比调制的PWM信号，信号的周期是T，其中高电平的时间是T0。高电平时驱动输出给电机的电压是Vs，低电平是驱动输出给电机的电压为0V。占空比为a=T0/T。因为电机是感性的负载，在其内部有大量的线圈，由电感的性质可知电感内通过的电流不能突变，因此在电机两端电压为0V时，电流也能继续维持，符合降压斩波的原理。电压和电流的对应波形如图（）。其等效的输入电压Vo=a·Vs。因此当输出给驱动占空比为a的PWM信号时，可以看作给电机加载了电压为Vo=a·Vs的直流电源。因此调整PWM信号的占空比就能实现对电机速度的控制。2.4手指角度信息反馈电路 手指的角度改变带动同轴的电位器，电位器内部有滑动的触点，角度改变可以改变串入电阻的长度，而电位器两端通过有恒定的电流，触点处的电压就随着电位器的转动而改变。最终电位器将角度，转换成了电压的变化。 电位器的输出电压信号进入单片机要转换成数字量才能进行数字信号的处理。利用XS128单片机的ADC模块可以方便的进行模拟量到数字量的转换。XS128单片机集成了12bit精度的ADC模块，采样速率可达700kpbs。可快速完成对点位器输出信号的采样。第三章反馈控制算法的设计与实现3.0 控制系统框图3.1 输入信号的滤波处理 电位器的输出电压信号经过较长的传输导线才能传输到单片机的ADC模块输入口，并且信号线的传播过程中会受到电机驱动流过大电流产生的电磁干扰，信号会产生跳变。为了有利于控制算法的实现。 单片机的ADC速率采样速率比较快，3uS就可以完成一次转换，而控制信号的输出周期比较长，因为可以在每次控制周期的采样过程中可以多次采集，取其平均值，能滤除采样结果中可能出现的跳变。 实际实验中表明均值滤波的效果是很有效的，滤波之后采样结果在手指的位置不变时，12Bit的采样精度跳动在±3以内。3.2 PID控制算法的实现PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。单位反馈的PID控制原理框图如图4.2：图4.2单位反馈的PID控制原理图单位反馈e代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制器，控制器算出误差信号的积分值和微分值，并将它们与原误差信号进行线性组合，得到输出量u。其中，、、分别称为比例系数、积分系数、微分系数。u接着被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信号,输出信号被再次送到执行机构——直流电机中，这个过程就这样周而复始地进行。PID各个参数作用基本介绍：增大微分项系数可以加快动态系统响应，但容易引起震荡。一般增大比例系数能够减小上升时间，但不能消除稳态误差。增大积分系数能够消除稳态误差，但会使瞬时响应变差。增大微分系数能够增强系统的稳定特性，减小超调，并且改善瞬时响应。对连续系统中的积分项和微分项在计算机上的实现，是将上式转换成差分方程，由此实现数字PID调节器。位置式PID控制算法在使用ADC模块采样，单片机作为控制器的离散系统里，积分项就是对前面所有次的误差的累加，微分项对后项的差分。得到数字PID控制器的基本算式：其中T是采样时间，、、为三个待调参数。增量式PID算法相比位置式PID算法的优点增量式PID控制输出的是控制量增量，并无积分作用，因此该方法适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机等，而位置式PID适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。由于增量式PID输出的是控制量增量，如果计算机出现故障，误动作影响较小，而执行机构本身有记忆功能，可仍保持原位，不会严重影响系统的工作，而位置式的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。对位置式相邻两次的结果相减加，得到变换后的输出表达式，可以得到增量式的PID算法：我们在实际代码实现时，处理成PreU+=（Kp*d_error+Ki*error+Kd*dd_error)的形式。这种算法用来控制步进电机特别方便，对直流电机也可以采用。再实际应用中，为了能达到比较精准的控制效果，需要对PID算法做各种改进。比如如果控制对象距离达到预设的目标的距离比较远，积分项长时间累加，数值变得非常大。而当控制对象达到预设目标的时候，过大的积分项输出会导致被控制对象发生严重超调现象，慢慢才能回到预设位置。为了消除长时间积分带来的影响，我们采用积分分离的方法。既当设定目标和实际值的误差较大时，将积分项的系数改为0，不进行积分。这时比例部分在输出中起主要作用。当实际值接近设定值的时候，再将积分项开启，用于消除只有比例控制量的时候产生的稳态误差。采样得到的离散信号，是具有一定的误差的，既在被控制对象的位置不变的时候，采集到的信号也有一定范围的跳变，这样会导致控制目标达到设定值之后还会有小范围的抖动。为了解决这种问题，可以采用取对微分的结果进行一阶滤波，减小因为微分量引起的输出的抖动。也可以在误差小于一定值的时候关闭微分项的输出。3.3 补偿算法 给电机一个线性变化的驱动电压，电机的转速不是随着电压变化而变化的，这是因为电机和传动结构存在转动的阻力，当输出电机的电压小于一定的值时，电机无法克服阻力而转动。假设传动结构的阻力是恒定的，那么可以建立关于电机输入输出的基本模型。 电机的输入电压为U,电流为I，转速为ω,感应电动势为E，线圈内阻为R。则输入电压，感应电动势和电流I存在如下关系。 I=U-ER （电机的线圈在磁场中受洛伦兹力，产生转动的动力，力矩为F，则电机的产生的力矩为F=nIBL （4-2） 当电机的动力能克服转动的阻力时，产生的力矩等于阻力，若阻力恒定，那么电机在匀速转动的时候产生的力矩恒定，又由公式4.2得电流I恒定，设为I0。当电流I小于I0，转子的扭力不