【正文】 ....................................................................................................... 20 1 1 緒論 仿人形假肢是機械手研究的一個重要方向，目前，一方面在太空，水下，核輻射等環(huán)境下的實驗，維護，排險等復(fù)雜任務(wù) [1]。它是機械人的一個重要分支。但在數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)越來越先進的要求，這促進了工業(yè)應(yīng)用類機械手在國內(nèi)工業(yè)方面迅速的研究和發(fā)展。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 。 現(xiàn)今社會，導(dǎo)致截肢的原因有很多，嚴重外傷，嚴重感染，先天畸形和發(fā)育異常等都會導(dǎo)致截肢，而自然災(zāi)害或是車禍?zhǔn)鹿实雀菍?dǎo)致截肢的一個更普遍的原因。假肢形機械手對人體上肢的代替，可以幫助殘疾人士做一些生活中簡單的事宜減輕生活中的負擔(dān)，也正是如此，假肢形機械手的智能化研究才不斷的前進，功能更加齊全，外形更加靈便好看。因此圍繞并行運動的方式設(shè)計出的假肢操作系統(tǒng)更加符合人們對假肢的需求，本文旨在研究以單片機作為控制系統(tǒng)的假肢形機械手。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宏教授等人成功研制出基于欠驅(qū)動原理的多自由度殘疾人假手樣機由五個手指組成，整個假手由三個電機驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)抓、捏、握等簡單的動作。 國外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研究機械手智能化技術(shù)，使機械手具有一定的傳感能力，能夠反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。目前下假肢的智能化主要以運動協(xié)調(diào)性和跟隨性為主，上假肢則主要以智能傳感技術(shù)為主。 5 2 多自由度假肢結(jié)構(gòu)及功能特性 假肢結(jié)構(gòu)和工作原理 假肢是人體缺損肢體的替代物 ,用以彌補缺損肢體的形狀和功能。在實物設(shè)計中為了減小肩部前后擺動和外向擺動的驅(qū)動力矩和肘部關(guān)節(jié)伸屈過程中所需的力矩，可對大臂肩部的重力距和肘部關(guān)節(jié)的重力距采用氣動平衡結(jié)構(gòu)，從而可以減小相應(yīng)驅(qū)動元器件的功率要求，使得設(shè)計更加輕便，成本較少。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 CPU根據(jù)按鍵信息驅(qū)動相應(yīng)的電機運轉(zhuǎn)，電機連接的編碼器記錄下驅(qū)動電機的 PWM信號脈沖數(shù)，然后通過檢測電路將 PWM脈沖數(shù)反饋給 CPU， CPU可以根據(jù)得到的脈沖信息，再次驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動與否或轉(zhuǎn)動的時間。當(dāng)選擇左 /右旋轉(zhuǎn)運動時，按下啟動按鈕，機械手左移；按下右移按鈕，機械手右 移。 這種六自由度的假肢能夠通過多自由度的并行或串行運動完成對物體的抓取，運動連貫，反應(yīng)時間短，同時使用者可以和激光傳感器及三位姿態(tài)配合 使用，可以實現(xiàn)對隨機物體的定位，這對于假肢的智能性又是一個很大的進步。這些因素影響了機械手工作空間的大小和性質(zhì)、機械手結(jié)構(gòu)的剛度以及其他的性質(zhì) [7]。在設(shè)計過程中，可供選擇的驅(qū)動 設(shè)備很多，但是為了盡可能的高機械手運動的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及反應(yīng)靈敏程度，慎重的選擇合適的設(shè)計原件是十分重要的。在實際的設(shè)計中選擇的事 51 系列的單片機，驅(qū)動部分是由八個驅(qū)動電機組成，檢測反饋部分是通過編碼器檢測電機編碼器的信號作為反饋信號，主要 是由檢測電路和串口接口組成，被控部分是機械手。在用 proteus 進行模擬和仿真時可以用電機的轉(zhuǎn)動與否或發(fā)光二極管的發(fā)光與否 來代表機械手的轉(zhuǎn)動情況。 供電電路部分 整個控制系統(tǒng)是建立在電源供電的基礎(chǔ)上的，需要有穩(wěn)點工作的電源以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。整個復(fù)位電路包括片內(nèi)外兩部分外部復(fù)位信號通過引腳 RST/ PDV 加入到內(nèi)部復(fù)位電路上， 圖 假肢控制系統(tǒng)原理框圖 圖 假肢控制系統(tǒng)原理框圖 The controller principle diagram of artificial limbs 驅(qū)動部分 六個驅(qū)動器 被控對象 相應(yīng)的六個電機 檢測反饋 部分 CPLD 完成目標(biāo)位置檢測和保存 控制部分 C8051 f020 單片機 按鍵 控制 語音 控制 反饋 10 復(fù)位信號通過片內(nèi)一個斯密特觸發(fā)器與片內(nèi)復(fù)位電路相連。 C8051F 系列的單片機一共有七個復(fù)位源，分別為：上電 /掉電復(fù)位，外部 /RST 引腳復(fù)位，外部 CNVSTR 信號復(fù)位，軟件命令復(fù)位 ，比較器復(fù)位，時鐘丟失檢測器和看門狗定時器超時復(fù)位 [14]。 控制系統(tǒng)核心設(shè)計 此部分的電路設(shè)計是整個電路設(shè)計的核心，根據(jù)按鍵信息控制驅(qū)動器驅(qū)動電機，同時根據(jù)檢測電路檢測到得脈沖信息去控制各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動情況。 C8051F020 單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為 2． 7～ 3． 6V（端口I/O,RST 和 JTAG 引腳的耐壓為 5V。 PWM 脈沖是一種占空比可調(diào)的脈沖信號，在單片機設(shè)計中用 PWM 脈沖信號去控制電機的轉(zhuǎn)動速度，高占空比時轉(zhuǎn)動速度高，低占空比時轉(zhuǎn)動速度低。 MAX232 主要由兩組模塊：發(fā)送和接受模塊，我們使用其中的一路用于跟 PC 機通信，另一路用于跟 CPLD 通信。整體控 12 制電路圖如圖 所示。 在連接系統(tǒng)電路時，要合理的配置線路的走向，布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)干擾，注意晶振布線。用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計框架，然后具體介紹了幾個重要的最小工作系統(tǒng)并給出了相應(yīng)的電路原理圖。 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 本論文使用的芯片是 C8051F020，它是一個兼容性很好的芯片，其指令系統(tǒng)和 MSC51 完全兼容，其驅(qū)動程序可以用 C 語言進行編寫。 Keil μ Vision 調(diào)試器能夠準(zhǔn)確地模擬 8051 設(shè)備的片上外圍設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)的軟件部 分主要包括初始化模塊、產(chǎn)生 PWM 脈沖模塊和方向控制模塊。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 所示。如果初始化的內(nèi)容比較多，最好寫一個初始化的子程序，在主程 序的最頂端由 調(diào)用。當(dāng)然，這些狀態(tài)在以后的程序中是可以被改變的。 PWM 信號的產(chǎn)生有多種方式，其中比較常用的有模擬電路、單片機 I/O 口輸出 [1920]和單片機 PWM 部件的輸出 [21]在本設(shè)計中 C8051F020 是 51 系列中功能較好的一個芯片，可以用其內(nèi)部的可編程計數(shù)器陣列直接產(chǎn)生 PWM 脈沖信號和方向信號。步進電機速度控制程序圖如圖 所示。并通過 proteus 模擬了機械手的運動，本文主要研究的內(nèi)容包括： （ 1）機械手假肢研究的發(fā)展歷程和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 （ 4）設(shè)計了機械手假肢的軟件控制系統(tǒng)。選擇一種合適有效的控制方法對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效運行是十分重要的。 （ 2） 改善機械手的外形結(jié)構(gòu)，使其更加美觀，更像人類手臂，可以使用碳纖維作為組成 18 材料，人體對機械手的排斥或因肢體損傷感染的可能性更小。 19 6 致謝 本論文的設(shè)計，從最初的選稿到定稿，都讓我收益頗多。首先對于老師的 付出和教誨表示最誠摯的感謝，其次對于本文所引用的書籍和論文等文獻的原作者也致以由衷的感謝。 QA9wkxFyeQ^! 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