【正文】 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，做出相應的變更。 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。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。目前假肢的智能化已取得很好的成績。 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。以上各個關(guān)節(jié)同時運動，便可完成相應的軌跡運動。在實物設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)，從而可以減小相應驅(qū)動元器件的功率要求，使得設計更加輕便，成本較少。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期的系統(tǒng)性能。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)多數(shù)是反饋控制系統(tǒng)。 CPU根據(jù)按鍵信息驅(qū)動相應的電機運轉(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。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。當選擇左 /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。 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。 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。 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。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]。 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)是整個設計的最基礎也是最重要的部分。在設計過程中，可供選擇的驅(qū)動 設備很多，但是為了盡可能的高機械手運動的準確性、穩(wěn)定性以及反應靈敏程度，慎重的選擇合適的設計原件是十分重要的。 系統(tǒng)整體設計 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。在實際的設計中選擇的事 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。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。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。系統(tǒng)控制原理如圖 所示。 供電電路部分 整個控制系統(tǒng)是建立在電源供電的基礎上的，需要有穩(wěn)點工作的電源以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。電源電路如圖 所示 。整個復位電路包括片內(nèi)外兩部分外部復位信號通過引腳 RST/ PDV 加入到內(nèi)部復位電路上， 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 相應的六個電機 檢測反饋 部分 CPLD 完成目標位置檢測和保存 控制部分 C8051 f020 單片機 按鍵 控制 語音 控制 反饋 10 復位信號通過片內(nèi)一個斯密特觸發(fā)器與片內(nèi)復位電路相連。 手動復位：當按下復位按鈕時， RST 出現(xiàn)高電平，實現(xiàn)復位。 C8051F 系列的單片機一共有七個復位源，分別為：上電 /掉電復位，外部 /RST 引腳復位，外部 CNVSTR 信號復位，軟件命令復位 ，比較器復位，時鐘丟失檢測器和看門狗定時器超時復位 [14]。復位電路如圖 所示 電源電路原理圖 圖 復位電路原理圖 電機驅(qū)動電路 C8051f020 芯片 I/O 提供的電壓是 ，電機驅(qū)動器所需的正常的工作電壓為 5V，采用上拉電阻將電壓上拉至 5V，保證驅(qū)動電機的正常工作。 控制系統(tǒng)核心設計 此部分的電路設計是整個電路設計的核心，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 器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級 MCU 芯片，最多具有 64 個數(shù)字 I/O 引腳 ，片內(nèi)含 CIP－ 51 的 CPU 內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與 MCS－ 51 完全兼容。 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。 電機驅(qū)動器主要需要三路 信號，分別為：方向信號（控制電機的正反轉(zhuǎn)），占空比可調(diào)的PWM 信號（控制電機的轉(zhuǎn)速）和 OE 使能信號（低電平有效）。 PWM 脈沖是一種占空比可調(diào)的脈沖信號，在單片機設計中用 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。按鍵信息是通過在芯片外外接按鍵實現(xiàn)的，按鍵接入芯片使用的也是芯片的 I/O 端口。 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。但是這三種控制方式并 不是聯(lián)合使用的而是獨立存在的控制方式，在實際的操作中之能選擇一種方式進行操作。整體控 12 制電路圖如圖 所示。此控制系統(tǒng)中主要的干擾有：高頻脈沖信號傳輸過程中的干擾；通信傳輸中的干擾和電源諧波干擾。 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，以降低感應干擾，注意晶振布線。電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。大功率器件盡可能放在電路板邊 緣。 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)的總體設計框架，然后具體介紹了幾個重要的最小工作系統(tǒng)并給出了相應的電路原理圖。 13 整體控制系統(tǒng)原理 圖 14 4 多自由度多假肢控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 本章主要是針對于機械手系統(tǒng)的軟件部分進行分析設計。 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。 支持 8051 微 控制器體系結(jié)構(gòu)的 Keil 開發(fā)工具，適合每個階段的開發(fā)人員。 Keil μ Vision 調(diào)試器能夠準確地模擬 8051 設備的片上外圍設備。它是把一個功能完整的較長的程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，各個程序模塊分別進行設計，編譯個調(diào)試。控制系統(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。產(chǎn)生 PWM 模塊用于提供占空比可調(diào)的脈沖信號作為驅(qū)動信號。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 所示。在以后的運行過程中，這些指令將不再被執(zhí)行。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。在初始化程序中，比較多的內(nèi)容是對一些標志位的操作、一些固定數(shù)據(jù)的賦值，還有中斷的定義、高速計數(shù)器的設置、高速脈沖輸出的設置等等。當然，這些狀態(tài)在以后的程序中是可以被改變的。 PWM 即 Pulse Width Modulation，就是脈沖寬度調(diào)制，意思是在一串高低電平交替變換的信號中、高電平的寬度是可以控制變化的，也即是占空比可調(diào)。 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。 正轉(zhuǎn)部分 : 送 P4 口不同的值，從而改變電機電源的相序，是電機正轉(zhuǎn)，數(shù)值分別為 0xf8，0xfc， 0xf4， 0xf6， 0xf2， 0xf3， 0xf1， 0xf9。步進電機速度控制程序圖如圖 所示。首先介紹了系統(tǒng)的軟件設計的開發(fā)環(huán)境，對 keil 的功能特點作了簡單的說明，其次設計了控制系統(tǒng)的主程序，畫出主程序流程圖并對主要的功能模塊的程序設計進行了說明。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。 （ 2）根據(jù)機械手假肢的實際需要，設計多自由度機械手假肢的結(jié)構(gòu)和功能特性，并在c8051f020 的核心芯片的支持下，設計出機 械手假肢的控制系統(tǒng)并使機械手的各個功能能夠?qū)崿F(xiàn) （ 3） 設計了機械手假肢的硬件控制系統(tǒng)。 （ 4）設計了機械手假肢的軟件控制系統(tǒng)。通過 keil 與 proteus 的聯(lián)調(diào)實現(xiàn)從而使硬件和軟件系統(tǒng)都順利運行，整個設計完成。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。隨著單片機的處理性能越來越高，以后會有能夠獨立完成系統(tǒng)控制的單片機的面世。 （ 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。 （ 4） 選擇 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡求解機械手關(guān)節(jié)空間的解，常用的假肢逆運動學求解方法在目標姿態(tài)信息未知的情況下不能求解關(guān)節(jié)空間的解，而基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡求解方法能很好的解決這一問題。 19 6 致謝 本論文的設計，從最初的選稿到定稿，都讓我收益頗多。我本專業(yè)學的是通信并不是單片機，大學期間并沒有太多的接觸過單片機的知識，本次的畢業(yè)設計讓我從對單片機的知之甚少到全部完成畢業(yè)設計，我收獲了很多知識。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。 20 7 參考文獻 [1] 張玉茹，李繼婷，李劍鋒 .機械人靈巧手 [M].北京 :機械工業(yè)出版社 . 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