新型柔性灵巧手的控制系统研究

战强，马健，薛阳

(北京航空航天大学，北京100083)

  摘要：BHG—l型灵巧手是一种新型全驱动三指柔性灵巧手，其控制系统主要由上位Pc机和下位嵌入式控制器组成，通过RS232进行相互通讯。编写了上位Pc机控制界面，实现控制参数的输入、调节和传感器信息的实时反馈。采用TMS320LF2607A设计了灵巧手的嵌入式控制器，并对硬件电路的各个模块作了详细的介绍。对驱动灵巧手的直流伺服电动机进行速度和位置的PID控制，提高了灵巧手的抓取性能。试验证明该系统能可靠运行并达到预期的目标。

  关键词：灵巧手；DSP；直流伺服电动机；PID

  中图分类号：TM383．4 1  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)04—0035—03

0引  言

    多指灵巧手作为一种拟人化并能实现灵活操作的机器人末端操作器拓宽了机器人的应用领域，但由于其自由度过多导致控制比较复杂、成本较高，目前只能应用在实验室阶段，未能在生活、生产中得到广泛应用。因此设计控制简单、可以完成稳定抓取物体等拟人动作的灵巧手具有重要的现实意义和应用价值。而控制系统是灵巧手的重要组成部分，是灵巧手完成要求动作的重要保证。灵巧手的控制系统主要包括感知系统、数据采集处理系统、驱动系统、人机交互以及其它一些装置。

1研究对象   

    本文研究的BHG一1型全驱动单自由度灵巧手^[1]由三个完全相同的手指组成，如图I所示。三个手指在掌部呈交错对称放置，每个手指有三个指杆，指杆之间存在着机械耦合，通过钢丝进行传动，减少了结构的复杂性；三个手指由一个嵌在手掌中的直流伺服电机进行驱动，并实现了各个手指的联动；每个手指的第二和第三指杆均装有扩散硅点接触力传感器，采集指杆受力信息。该灵巧手从结构与功能上模仿了人手的拇指、食指和中指，可实现对一定尺寸范围内物体的包络抓持，具有自由度少、结构简单、控制系统相对简单、成本低等优点。

2控制系统的总体设计

    BHG-1型灵巧手对物体以包络的轨迹进行夹持，是对新夹持方式的尝试，其控制系统如图2所示，主要包括上位Pc机和下位嵌入式控制器。

上位机通过串口发送夹紧、松开等命令及参数设定值至下位灵巧手控制器，并对其进行实时监控，实现人机对话，下位控制器根据命令驱动手指动作。

     下位控制器采用电机专用控制：DSP芯片TMS320LF407A为核心，主要完成对各反馈传感量进行采样，对电机进行伺服控制，以及向上位机传送各种控制参量。TMS320LF2407A特别适合于电机控制，其事件管理器具有分为十等优先级的40个中断，其中的非法地址访问中断能在程序“跑飞”的情况下复位芯片，PWM封锁中断能够在电机控制异常的情况下封锁PwM输出，保证了系统故障性处理的实时性^[2]。DsP芯片集成的这些功能大大简化了整个控制系统的设计。

2．1人机交互界面

    通过上位PC机上的人机交互界面可以完成各种控制参数的输入和调节，对传感器反馈信息进行实时监测。如图3所示，此界面包括三部分：操作区，向下位机发送命令；参数设置区，设置下位机的控制参数；显示区，显示来自下位机的当前信息。该上位机程序的界面美观，操作简单，执行效率高。

2.2异步串行通讯电路

    TMS320LF407A内部集成的串行通信接口scI模块是一个标准的通用异步接收／发送(uART)通信接口，有scITXD(发送输出)和scIRXD(接收输入)两个外部引脚，其信号电平为TTL型。而Pc机串口的异步串行通信基于．RS232C标准，两者的信号逻辑电平不一致，因此选用MAX232芯片进行电平匹配。该芯片有两对收／发单元，实现DSP与PC之间的串口通信只需一对收／发单元即可。本文的串口电路采用三线制接法，如图4所示，即图。串口通讯接线图地、接收数据和发送数据三脚相连。

2．3电机驱动电路

    电机的驱动由PWM脉宽调制信号来实现，通过设定DSP的定时器Timerl的TlPER以及与T1CMPR产生PWM信号，Tl CMPR与T1PER比值即为PWM波形的占空比。PwM信号要控制伺服电机需进行脉冲分配，即对电压／脉宽变换的信号进行适当的逻辑变换，分配给基极