【正文】 前景廣闊的原因和背景及研究意義，對(duì)比和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及我國(guó)相比較與國(guó)外的優(yōu)勢(shì)和差距。 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(yùn)動(dòng) 目標(biāo)位置示教 目標(biāo)位置 1 目標(biāo)位置 2 目標(biāo)位置 3 目 標(biāo) 位 置 保 存 指定目標(biāo)位置 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)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(jī)械手運(yùn)動(dòng) ) 5 總結(jié)和展望 總結(jié) 本文主要對(duì)基于 c8051f020 控制的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了系統(tǒng)而全面的設(shè)計(jì)。 圖 電機(jī)正反轉(zhuǎn)流程圖 開始 延時(shí) 有外部中斷 等待 使用 up date或 down date 16 本章小結(jié) 本章主要介紹了單片機(jī)控制機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 反轉(zhuǎn)部分 :送 口不同的值，從而改變電機(jī)電源的相序，是電機(jī)反轉(zhuǎn)，數(shù)值分別為 0xf9，0xf1， 0xf3， 0xf2， 0xf6， 0xf4， 0xfc， 0xf8。 方向模塊 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，方向信號(hào)即是用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向， C8051F020 自身就可以輸出方向信號(hào)不必再外接其他芯片去提供方向信號(hào)。 PWM 可以用與調(diào)節(jié)直流電機(jī)調(diào)速和控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 PWM 脈沖模塊 步進(jìn)電機(jī)有三線式，五線式，六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅(qū)動(dòng) [18]。實(shí)質(zhì)上就是為程序的運(yùn)行 15 作準(zhǔn)備，建立一個(gè)合適的初始狀態(tài)。 系統(tǒng)上電或者復(fù)位后，程序首先執(zhí)行初始化程序，之后進(jìn)入主循環(huán)，在循環(huán)體中運(yùn)行各個(gè)功能函數(shù)。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。 初始化子程序 初始化就是在程序運(yùn)行之前，先對(duì) PLC 的一些狀態(tài)作預(yù)置的過程。方向模塊用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。單片機(jī)根據(jù)物體位置信息，分析后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。最后把各個(gè)調(diào)試好的程序模塊聯(lián)成一個(gè)大的程序 [17]。 C8051F020 主程序設(shè)計(jì) 模塊程序設(shè)計(jì)時(shí)單片機(jī)應(yīng)用中常用的一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)。產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Keil C 編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實(shí)時(shí)內(nèi)核、單板計(jì)算機(jī)和仿真器，支持所有的 51 系列微控制器。本論文中使用的開發(fā)環(huán)境是具有編譯功能 Keil c51。在上一章中對(duì)控制系統(tǒng)所選用的芯片及主要部件做了研究和設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)完成的情況下，設(shè)計(jì)出支持硬件系統(tǒng)的軟件程序，并對(duì)主要的模塊子程序做簡(jiǎn)單介紹。并簡(jiǎn)單介紹了假肢通常會(huì)使用的控制方式，最后介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要的干擾因素，并提出了一些抗干擾措施及電路設(shè)計(jì)時(shí)一些布線和原件排列方式的介紹。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(hào)；主控制板有 +24V 和 +5 兩個(gè)電壓值，采用多點(diǎn)接地可以減少接地阻抗、接地回路、信號(hào)環(huán)路 [16]。數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。盡可能把干擾源（如電機(jī)、繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)在 PCB 板的設(shè)計(jì)中合理的選擇不同型號(hào)的電源以盡量減少電源諧波的干擾。 防干擾設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制系統(tǒng)受到的干擾的來源主要是來自交流電竄入的干擾；信號(hào)時(shí)輸入輸出通道的干擾；空間電磁輻射干擾和控制系統(tǒng)內(nèi)部的干擾 [15]。在假肢的實(shí)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(jì)中使用按鍵控制的方式來演示電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 假肢有多種控制方式，可以選擇通過按鍵實(shí)現(xiàn)按鍵控制，也可以通過語音識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語音控制，或者使用腦電控制方式。 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。 C8051 芯片可在工作時(shí)產(chǎn)生所需的三種信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鑒于 C8051F020的 I/0 端口的輸出電壓為 ，驅(qū)動(dòng)器工作所需電壓為 5V，在芯片和驅(qū)動(dòng)器之間需要接上上拉電阻，使電壓上升至 5V，保證驅(qū)動(dòng)器的正常工作。 直接給電機(jī)上電，電機(jī)就會(huì)全速運(yùn)轉(zhuǎn)；用 PWM 信號(hào)控制電機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的數(shù)字化控制，在降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，還具有節(jié)能的效果。與以前的 51 系列單片機(jī)相比， C8051F020 增添了許多功能，同時(shí)其可靠性和速度也有了很大提高。其中的 C8051F020 單片機(jī)含有 64kB 片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器， 4352B 的 RAM、 8 個(gè) I／ O 端口共 64 根 I／ O 口線、一個(gè) 12位 A／ D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè) 8 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)雙 12 位 D／ A 轉(zhuǎn)換器、 2 個(gè)比較器、 5 個(gè) 16位通用定時(shí)器、 5 個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)／定時(shí)器陣列、看門狗定時(shí)器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。根據(jù)電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，安裝在各個(gè)關(guān)節(jié)處的電機(jī)需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，在六個(gè)驅(qū)動(dòng)器中有三個(gè)驅(qū)動(dòng)器需要占空比可調(diào)的 PWM信號(hào)，另外三個(gè)驅(qū)動(dòng)器需要的是頻率信號(hào)。首先將 I/O 輸出的信號(hào)經(jīng)過 74ls04 11 構(gòu)成的非門，而后再接上 10k 的上拉電阻即可。同時(shí)在復(fù)位電路中還添加了上拉去耦電路以防止由于強(qiáng)噪聲而引起的復(fù)位。 上電自動(dòng)復(fù)位：在單片機(jī)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(huì)隨著對(duì)電容 C 的充電過程而逐漸回落 [13]。外部復(fù)位分為上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種 [12]。（此處描述錯(cuò)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(jì)的：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，可以使系統(tǒng)初始化，或者在系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障或者運(yùn)行結(jié)束時(shí)系統(tǒng)也需要提供復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。此部分設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)的中心 cpu 需要的正常工作電壓是 ，但是通常的直流電源提供的電壓是 5V， 所以要對(duì)電源進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)換， 可以用上拉電阻將電源的電壓轉(zhuǎn)換為 cpu可以使用的電壓，或者用 74ls04 作為反相器，為 cpu 提供正常的工作電壓。 按鍵 對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) 按鍵 對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) 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(gè)按鍵對(duì) 應(yīng)控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) c8051f020 最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì) 51 系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振電路 [11]。兩個(gè)按鍵對(duì)假肢運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行示教和保存；兩個(gè)按鍵完成對(duì)兩個(gè)指定位置目標(biāo)物體的自動(dòng)抓取和釋放；一個(gè)按鍵完成控制方式的選擇：按鍵控制和語音控制；一個(gè)按鍵完成隨機(jī)目標(biāo)物體定位等組成 [10]。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)包括轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮，轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮都可以歸為轉(zhuǎn)動(dòng)。控制方式選擇按鍵方式，本設(shè)計(jì)中采用 12 個(gè)按鍵組成的小鍵盤，六只發(fā)光二管（用于模擬系統(tǒng)所處的狀態(tài)，是轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)還是無動(dòng)作狀態(tài)），主要由 12 個(gè)按鍵完成 6 個(gè)關(guān)節(jié)的雙向正反單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，按鍵控制對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況如表 所示?？刂撇糠种饕且?C8051F020 為核心控制系統(tǒng)件完成 [9]。本章主要是根據(jù)具體情況及設(shè)計(jì)要求選擇合適的硬件控制系統(tǒng) CPU 和驅(qū)動(dòng)元件并畫出硬件電路原理圖 。硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是很據(jù)總體的設(shè)計(jì)要求，以及在所選機(jī)型的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)擴(kuò)展所要用的存儲(chǔ)器， I/O 電路， A/D 及有關(guān)外圍電路等，然后設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖 [8]。理解機(jī)械手的工作原理和特性對(duì)于我們實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)是十分 關(guān)鍵的。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)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。機(jī)械手假肢給殘疾者提供了一種代償工具，一定程度上滿足了肢體殘疾者的心理和生活的需要，且輕便易、易操作、便于攜帶。目前用于假肢控制的仿生控制信號(hào)主要有人體自身的肌電信號(hào)、腦電信號(hào)、神經(jīng)電信號(hào)和聲音等，其中表面肌電信號(hào)由于滯后時(shí)間短和抗干擾能力強(qiáng)，仍然是假肢的主要仿生控制 [6]。當(dāng)選擇前行 /后退運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手前行；按下停止按鈕，機(jī)械手后退。例如 :當(dāng)選擇上 /下運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械上升；按下下降按鈕，機(jī)械手下降。 設(shè)計(jì)要求是 :有自動(dòng)工作方式和手動(dòng)工作方式，當(dāng)位于手動(dòng)工作方式時(shí)，用按動(dòng)按鈕去控制機(jī)械手的動(dòng)作，可以完成機(jī)械手所有動(dòng)作和操作機(jī)械手進(jìn)行所有自由度的活動(dòng)，并可將不 6 在原來位置的機(jī)械手操作至原位，因此在設(shè)計(jì)中要首先要規(guī)定一個(gè)機(jī)械手的原點(diǎn)指示。本設(shè)計(jì)使用的既是有反饋功能的閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動(dòng)控制的主要形式。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。 本設(shè)計(jì)采用的系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 機(jī)械手的上、下、左、右、前行、后行 6個(gè)方向移動(dòng)，分別由六個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)，在硬件設(shè)計(jì)中，六個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)了機(jī)械手的各種動(dòng)作。故根據(jù)仿人型的特性，經(jīng)過研究與設(shè)計(jì)制作，設(shè)計(jì)出一種 6自由度仿人型假肢，即肩離斷多自由度假肢型假肢（上肢）的結(jié)構(gòu)模型如圖 所示，六自由度的機(jī)械手每個(gè)自由度處均安裝一個(gè)電位器，六個(gè)電位器分別反映出連接在一起的兩個(gè)部件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度或者位移，這六個(gè)參數(shù)和機(jī)械手三維模型結(jié)合在一起可構(gòu)建機(jī)械手的詳細(xì)姿 態(tài)示意圖，方便對(duì)機(jī)械手的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制 [4].其肩部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)是由直流電機(jī)經(jīng)減速器減速后，驅(qū)動(dòng)整個(gè)大臂 90 度前后旋轉(zhuǎn)；大臂的內(nèi)外擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中直線電機(jī)固定，其旋轉(zhuǎn)螺母在螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)手臂外向90 度的抬落運(yùn)動(dòng)；肘部關(guān)節(jié)擺動(dòng)采用類似上臂向外擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)小臂內(nèi)向向外 135 度的屈伸運(yùn)動(dòng)；小臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)采用直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器減速后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)小臂向內(nèi)向外90 度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；手腕俯仰運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速器減速及一級(jí)傘齒輪變后實(shí)現(xiàn)手腕向上向下各 50度的俯仰運(yùn)動(dòng)；手掌的 開合采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手掌的開合運(yùn)動(dòng) [5]。 4 圖 五指仿人型殘疾假手樣機(jī) 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(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)為主要研究目的，研究機(jī)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(jī)械手的功能并仿真。應(yīng)用新型智能材料研究新型高效假肢驅(qū)動(dòng)器和智能傳感器 [3]。 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)。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)。九十年代初，歐美和日本已開始將電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)融合在一起，用于假肢的研究與開發(fā)當(dāng)中。目前已經(jīng)取得一定成 績(jī)。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。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國(guó)家對(duì)假肢研究的支持和國(guó)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(jī)械手不斷發(fā)展，前景開闊。在肌電的控制方面，才用了六個(gè)表面肌電電極可以實(shí)現(xiàn)人手 19種運(yùn)動(dòng)模式的識(shí)別，如圖 ，可以實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的動(dòng)作，彌補(bǔ)了日常生活中的不足。機(jī)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(duì)假肢的生理排斥更小。此外還應(yīng)大力研究記憶再現(xiàn)型，伺服型，以及有視覺，觸覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。促進(jìn)工業(yè)發(fā)展是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)，所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，熱處理方面的機(jī)械手、重點(diǎn)發(fā)展鑄造，改善作業(yè)條件以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件 3 的還要研制計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手、示教式機(jī)械手等。 圖 假肢型機(jī)械手 假肢型機(jī)械手的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)八十年代初開始也在假肢研究方面取得了很好的成績(jī)，清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系的金德文，張培玉，張濟(jì)川，王人成等學(xué)者、教授在這方面做了很多開創(chuàng)性的工作。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(dòng)中需要一個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作完成后 另一個(gè)關(guān)節(jié)才能動(dòng)作，這種操作方式連貫性很差，使用時(shí)很不自然且相當(dāng)吃力，不符合人們的生理習(xí)慣，串行作業(yè)花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)也比較難以控制。目前，市場(chǎng)上已有的假肢形機(jī)械手如圖 。對(duì)家庭和個(gè)人都是很嚴(yán)重的依賴和負(fù)擔(dān)。每年的高速公路上交通事故頻發(fā)，在中國(guó)有 755萬肢殘殘疾人，需要安裝假肢的約 45萬，而其中上肢殘肢者約占了 1/3之多，而在全世界