【正文】 電路如圖 所示 。系統(tǒng)控制原理如圖 所示。使用 74LS245 芯片作為反向器，以代替上拉電阻，通過 Port A 和 Port C 兩個接口來連接驅(qū)動器，步進電機和電位器。 系統(tǒng)整體設(shè)計 假肢控制系統(tǒng)硬件電路主要包括控制部分、驅(qū)動分、被控對象部分和檢測反饋部分四個部分組成。 7 圖 假肢的結(jié)構(gòu)模型 8 3 多自由度機械手控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 機械手控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)是整個設(shè)計的最基礎(chǔ)也是最重要的部分。 本章小結(jié) 本章主要介紹了多自由度假肢的結(jié)構(gòu)，工作原理及其功能特性。 假肢的功能特性 假肢是供截肢者使用以代償缺損肢體部分功能的人造肢體，假肢研究的重點是生理信號的提取和對仿生假手的控制。手動操作 :就是用按鈕操作，對機械手的每一種運動單獨進行控制。自動控制系統(tǒng)多數(shù)是反饋控制系統(tǒng)。所 謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統(tǒng)行為輸出與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。以上各個關(guān)節(jié)同時運動，便可完成相應(yīng)的軌跡運動。目前假肢的智能化已取得很好的成績。 智能化技術(shù)主要有兩個方面： 1，運動協(xié)調(diào)性，是指使假肢運動能夠像人體一樣，可以根據(jù)外界環(huán)境的變化隨時調(diào)節(jié) 運動軌跡，使得運動姿態(tài)協(xié)調(diào)美觀，耗能最少。 但就目前而言，與歐美、日本等發(fā)達國家相比存在相當大的差距，我國假肢生產(chǎn)行業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)同歐美和日本相比大體上約落后 20年。國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。此領(lǐng)域相關(guān)項目的研究一直受到國家民政部 和中國殘疾人協(xié)會的高度重視 [2]。在方便日常生活方面，促進殘疾人醫(yī)療事業(yè) 的發(fā)展一直是黨和政府非常關(guān)心的問題，目前，國家不斷加大對假肢技術(shù)的支持，假肢技術(shù)的研究也因此不斷深入和完善。后來的眾多學者 和專家對假肢形機械手也做出了巨大的貢獻。多數(shù)此類產(chǎn)品是采用肌電信號作為控制信號源去控制假肢的動作。在災(zāi)害或事故中不幸遇難失 2 去肢體致殘的人在日常生活和各方面都會有許多不便和為難之處。采用腦電波或者神經(jīng)電波信號作為控制信號的假肢形機械手，這類控制方式比較高級，且靈活性和準確性也大大提高，但這類控制方式尚處于研究之中?，F(xiàn)如今機械手的研究的一個重要方向是仿人形假肢，仿人形假肢是供截肢者使用以代償缺損肢體部分功能的人造肢體，有上肢假或下肢假肢，既是手臂和腿部。（王希敏， 1992）。現(xiàn)今的的機械手設(shè)計一種是基于分析模型和性能指標進行設(shè)計，另一種是模仿人手進行設(shè)計。設(shè)計完成，能夠通過單片機驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)單片機機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計。首先闡述了機械手的結(jié)構(gòu)特點，工作原理和并結(jié)合人類手臂能夠?qū)崿F(xiàn)的實際功能設(shè)計出機械手的功能特性。其次介紹了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，選擇 C8051F020 作為系統(tǒng)設(shè)計的核心，介紹了單片機的特點，最小系統(tǒng)和主要的電路模塊。 關(guān)鍵詞 ： C8051F020，機械手， proteus，電機 Based the C8051F020 SCM manipulator control system design Abstract： This thesis mainly discusses the design of control system of the SCM manipulator based on C8051F020,introduce the background and significance of robot， present research situation of the design at home and abroad and the demand of the market to this of all the thesis introduce structure characteristics of manipulator,working principle and functional characteristics .Secondly this thesis introduced the hardware design of control system， choose C8051F020 SCM as core of controller .Introduce the characteristics of SCM， minimum system and main circuit module。 課題研究的背景及 意義 機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛應(yīng)用與自動化生產(chǎn)線中，用于機床加工，鑄鍛，熱處理等方面。 目前，假肢類型機械手的研究重點是 對于仿生手的控制源的選擇。假肢形機械手的研究因其需求的不斷提高正向著高科技智能性不斷前進。對家庭和個人都是很嚴重的依賴和負擔。但肌電控制的假肢都是采用串行作業(yè)控制方式，這種控制方式在假肢的移動中需要一個關(guān)節(jié)的動作完成后 另一個關(guān)節(jié)才能動作，這種操作方式連貫性很差，使用時很不自然且相當吃力，不符合人們的生理習慣，串行作業(yè)花費的時間較長也比較難以控制。促進工業(yè)發(fā)展是發(fā)展國民經(jīng)濟的重點，所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，熱處理方面的機械手、重點發(fā)展鑄造，改善作業(yè)條件以減輕勞動強度，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件 3 的還要研制計算機控制機械手和組合機械手、示教式機械手等。機械手的結(jié)構(gòu)上不斷的改善，功能上更加接近人的生理功能以及人體對假肢的生理排斥更小。國家對假肢研究的支持和國內(nèi)眾多高校和科研單位的不斷努力也加快了這一技術(shù)的發(fā)展，使得假肢形機械手不斷發(fā)展，前景開闊。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。九十年代初，歐美和日本已開始將電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、生物醫(yī)學工程技術(shù)融合在一起，用于假肢的研究與開發(fā)當中。 2，智能傳感，是指假肢具有感知外界作用力的大小、溫度與濕度等能力，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。 4 圖 五指仿人型殘疾假手樣機 課題研究的內(nèi)容及完成的工作 本論文主要以基于 c8051f020單片機機械手控制系統(tǒng)為主要研究目的，研究機械手假肢的控制方式和控制系統(tǒng)，并以 proteus和 keil的軟件環(huán)境為背景，模擬機械手的功能并仿真。 機械手的上、下、左、右、前行、后行 6個方向移動，分別由六個電機的轉(zhuǎn)動來帶動，在硬件設(shè)計中，六個電機的轉(zhuǎn)動反應(yīng)了機械手的各種動作。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。本設(shè)計使用的既是有反饋功能的閉環(huán)控制系統(tǒng)。例如 :當選擇上 /下運動時，按下啟動按鈕，機械上升；按下下降按鈕，機械手下降。目前用于假肢控制的仿生控制信號主要有人體自身的肌電信號、腦電信號、神經(jīng)電信號和聲音等，其中表面肌電信號由于滯后時間短和抗干擾能力強，仍然是假肢的主要仿生控制 [6]。在實際的設(shè)計中，設(shè)計者不僅要考慮諸如幾何尺寸、速度以及承載能力等因素，而且還要考慮到關(guān)節(jié)的數(shù)量和它們的幾何分布。硬件設(shè)計的主要任務(wù)是很據(jù)總體的設(shè)計要求，以及在所選機型的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)擴展所要用的存儲器， I/O 電路， A/D 及有關(guān)外圍電路等，然后設(shè)計出系統(tǒng)的電路原理圖 [8]。控制部分主要是以 C8051F020 為核心控制系統(tǒng)件完成 [9]。機械手的運動包括轉(zhuǎn)動和伸縮，轉(zhuǎn)動和伸縮都可以歸為轉(zhuǎn)動。 按鍵 對應(yīng)關(guān)節(jié)的運動 按鍵 對應(yīng)關(guān)節(jié)的運動 S1 手指張開 S7 小臂外擺 S2 手指閉合 S8 小臂內(nèi)合 S3 手腕上仰 S9 大臂外擺 S4 手腕下俯 S10 大臂內(nèi)合 S5 小臂外轉(zhuǎn) S11 大臂前擺 S6 小臂內(nèi)轉(zhuǎn) S12 大臂下落 9 圖 各個按鍵對 應(yīng)控制關(guān)節(jié)的運動 c8051f020 最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計 單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，就是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對 51 系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、復(fù)位電路、晶振電路 [11]。（此處描述錯誤，應(yīng)該是使用 LM1117 使 5V 轉(zhuǎn)換成 ） 復(fù)位電路部分 復(fù)位電路是為系統(tǒng)恢復(fù)至初始狀態(tài)而設(shè)計的：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，可以使系統(tǒng)初始化，或者在系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障或者運行結(jié)束時系統(tǒng)也需要提供復(fù)位信號使系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。 上電自動復(fù)位：在單片機上電的瞬間， RC 電路充電，由于電容上電電壓不能突變，所以 RST引腳出現(xiàn)高電平， RST 引腳出現(xiàn)的高電平將會隨著對電容 C 的充電過程而逐漸回落 [13]。首先將 I/O 輸出的信號經(jīng)過 74ls04 11 構(gòu)成的非門，而后再接上 10k 的上拉電阻即可。其中的 C8051F020 單片機含有 64kB 片內(nèi) Flash 程序存儲器， 4352B 的 RAM、 8 個 I／ O 端口共 64 根 I／ O 口線、一個 12位 A／ D 轉(zhuǎn)換器和一個 8 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器以及一個雙 12 位 D／ A 轉(zhuǎn)換器、 2 個比較器、 5 個 16位通用定時器、 5 個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。 直接給電機上電，電機就會全速運轉(zhuǎn)；用 PWM 信號控制電機，就可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速的數(shù)字化控制，在降低電機轉(zhuǎn)速的情況下，還具有節(jié)能的效果。 主控器跟其它 CPU 模塊之間的通信功能主要是通過 MAX232 完成的。在假肢的實際使用中，腦電控制方式是最為智能和便捷的控制方式，本設(shè)計中使用按鍵控制的方式來演示電機的驅(qū)動。在本系統(tǒng)的設(shè)計中使用的抗干擾的方法主要是用電感電容去 掉高低頻的脈沖干擾，合理的配置去耦電容以消去耦合干擾，同時在 PCB 板的設(shè)計中合理的選擇不同型號的電源以盡量減少電源諧波的干擾。盡可能把干擾源（如電機、繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。在電源的輸入和輸出處，在電路上串接鐵氧體磁珠，能夠抑制寄生震蕩和衰減感應(yīng)或傳輸?shù)皆骷€上或與之相連的電纜的高頻無用信號；主控制板有 +24V 和 +5 兩個電壓值，采用多點接地可以減少接地阻抗、接地回路、信號環(huán)路 [16]。在上一章中對控制系統(tǒng)所選用的芯片及主要部件做了研究和設(shè)計，在硬件設(shè)計完成的情況下，設(shè)計出支持硬件系統(tǒng)的軟件程序，并對主要的模塊子程序做簡單介紹。產(chǎn)業(yè)標準的Keil C 編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實時內(nèi)核、單板計算機和仿真器，支持所有的 51 系列微控制器。最后把各個調(diào)試好的程序模塊聯(lián)成一個大的程序 [17]。方向模塊用于控制電機的轉(zhuǎn)動方向，正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。如果預(yù)置的內(nèi)容不多，可以在主程序的最頂端用 觸發(fā)相關(guān)的指令，完成初始化。實質(zhì)上就是為程序的運行 15 作準備，建立一個合適的初始狀態(tài)。 PWM 可以用與調(diào)節(jié)直流電機調(diào)速和控制電機的正反轉(zhuǎn)。 反轉(zhuǎn)部分 :送 口不同的值，從而改變電機電源的相序，是電機反轉(zhuǎn)，數(shù)值分別為 0xf9，0xf1， 0xf3， 0xf2， 0xf6， 0xf4， 0xfc， 0xf8。 圖 系統(tǒng)控制流程圖 開始 初始化 選擇控制方式 按鍵控制 位置示教或運動 目標位置示教 目標位置 1 目標位置 2 目標位置 3 目 標 位 置 保 存 指定目標位置 自動運動到目標位置 并抓取物體 將物體放到指 定的位置 是否結(jié)束 結(jié)束 是 否 17 系 統(tǒng)仿真： (模擬機械手運動 ) 5 總結(jié)和展望 總結(jié) 本文主要對基于 c8051f020 控制的機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計做了系統(tǒng)而全面的設(shè)計。機械手硬件控制系統(tǒng)是整個設(shè)計最主要的部分，通過對主要的最小系統(tǒng)的設(shè)計和主要模塊的控制，最終在 proteus 的環(huán)境中實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的各個元件的連接。 展望 對于機械手的控制技術(shù)，眾多學者和專家多年來堅持不懈的努力做出了令人矚目的成 績，相關(guān)書籍和文獻也介紹了多種控制方法。 鑒于本論文研究的不足之處，希望以后的研究工作可以從以下幾方面開展： （ 1） 選擇一款性能比較高級的單片機，如嵌入式的 ARM,DSP 等，嵌入式的處理器可以將整個控制系統(tǒng)進行高度集成，可以減輕控制系統(tǒng)的重量，使用時更加輕便靈巧。 （ 5）使用更加高效，編寫方便的語言實現(xiàn)軟件程 序設(shè)計，如 Java， Java SE。當然在完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，導(dǎo)師賈朝川老師對我的指導(dǎo)和教誨對設(shè)計的順利完成是必不可少的，老師的耐心教誨，淵博的專業(yè)知識和嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度對我影響深遠。 6a*CZ7H$dq8Kqqf HVZFedswSyXTyamp。 qYpEh5pDx2zVkumamp。 qYpEh5pDx2zVkum amp。 qYpEh5pDx2zVkum amp。 qYpEh5pDx2zVkumamp。 qYpEh5pDx2zVkumamp。 qYpEh5pDx2zVkumamp。 qYpEh5pDx2zVkumamp。 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