CN103286784A - 一种欠驱动自适应多指灵巧手控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，属于拟人机器人技术领域。该控制系统包括有上位机，传感系统和控制器等部分。控制器接收来自上位机的信号，并根据所接收的信号对直流伺服电机驱动芯片发出控制信号。直流伺服电机驱动芯片接收控制信号，并驱动直流伺服电机单元按照控制要求驱动欠驱动自适应多指灵巧手机械本体的运动，通过控制其每一只手指伸与缩，完成抓取物体和自动放松的功能，同时传感系统可在抓取过程中对手指接触压力值采样并反馈。控制系统通过采用先进的控制算法，可以自动地校正实时误差和提供保护机制。本发明中控制系统其硬件结构简单，控制精准，成本低，能实现对物体的自适应包络抓取物体，可广泛应用于假肢等领域。

Description

一种欠驱动自适应多指灵巧手控制系统

技术领域

本发明涉及一种机械手的控制系统，具体涉及一种仿人手的、控制简单，精准、可用于残疾人假肢、工业生产、航空航天、科学研究的欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，属于仿生机器人领域。

背景技术

随着科学技术的日新月异，机械多指手在仿人等相关领域的应用越来越广泛，其具有较为实际的研究价值和较好的市场前景。近数十年来，为了完成包括在日常的环境中抓取各类物体在内的不同任务，世界各国的科技工作者已经陆续研发了不同种类、性能各异的多指手。多指手是否具备实现自动灵巧操作和保持一定的抓取稳定性的性能对于多指手能否完成指定的工作任务至关重要，所以针对多指手的运动控制性能的研究显得尤为必要。仿人机械手的应用范围和前景非常广阔，它可以用于残疾者的假肢，或用于替代人类进行工业生产，或用于高危地区较复杂的作业等等。虽然目前人们已经研究出各类性能不同的仿人灵巧手，但其仍然存在诸多缺点，在实际应用的过程中往往无法取得令人满意的效果，具体缺点如下：（1）驱动器过多，每个关节都有一个驱动器驱动，使得控制过程非常复杂，并造成体积庞大，成本较高（2）不能较好地通过相关控制系统达到自适应抓取物体的效果。

发明内容

本发明的目的在于设计一种硬件结构简单，控制精准，成本较低，运行可靠性高且具有人机友好界面的欠驱动自适应多指灵巧手的控制系统。

本发明技术方案如下所述。

一种欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，该控制系统包括上位机、传感系统、控制器等。该欠驱动自适应多指灵巧手机械本体由四个手指（拇指、中指、食指、无名指）、腱以及掌部等部分构成。通过VC软件编程，上位机不但可以通过协议与控制器进行通信，而且在上位机人机友好界面中可发送运动指令以及设定相应控制参数。通过直流伺服电机驱动芯片可驱动直流伺服电机单元，然后直流伺服电机单元驱动欠驱动多指手机械本体运动，电机通过相应的传动机构可以实现拉动腱和释放腱的运动，从而控制多指手的伸缩，完成对各类物体包络抓取和多指手自动伸直的功能。传感系统依据其工作原理可用于确定多指手在抓取过程中的接触压力的大小，并向上位机进行反馈，便于多指手灵巧操作抓取物体。

所述控制系统的主控芯片主要是由TI公司的DSP芯片（TMS320F28335)、Altera公司的FPGA CycloneⅣ芯片、LP6206PD/LP6207PD等微控制芯片构成，通过对相关芯片编程实现所要功能。

所述上位机软件能够与下位机进行通信，能够有效地实现多指手的速度和压力反馈调节，完成指定的抓取和放松任务。上位机人机友好界面包括直流伺服电机的速度、机械手抓取物体压力阀值、三环控制中当前电流值等参数值，同时能显示执行机构的当前位置、位置超差、与目标位置的位置偏差等位置信息，在抓取过程中的实时压力大小的传感器压力采样信息以及运动是否异常、运动状态等运动信息。下位机软件通过采用先进的控制算法保证精度，可以实时校正误差，并且在多指手在抓取各类物体的运动过程中，如果出现异常或者死锁现象，下位机软件能够在抓取过程中对物体提供一定的保护机制，通过相应保护程序实现电机的急停，实现对物体的自动保护。

所述控制器包括硬件电路及电源等，其中硬件电路主要包括：主控芯片电路和驱动电路等。硬件电路包括DSP基本外围电路及外围电路的设计，DSP基本外围电路设计包括：系统电源、复位电路、外扩存储、JTAG 调试、时钟电路等内容；外围电路设计包括：USB接口电路设计、RS485电路设计、传感器电路设计、电机驱动电路设计、编码器电路设计等内容。硬件电路该控制器性能是多指灵巧手实现自适应抓取任意物体的关键和技术核心。

所述的直流伺服电机驱动芯片包括有用来驱动拇指直流伺服电机的拇指直流伺服电机驱动芯片；包括有用来驱动中指直流伺服电机的中指直流伺服电机驱动芯片；包括有用来驱动食动直流伺服电机的食指直流伺服电机驱动芯片；包括有用来驱动无名指直流伺服电机的无名指直流伺服电机驱动芯片。

所述直流伺服电机单元包括有驱动多指手拇指的直流伺服电机；驱动多指手中指的直流伺服电机；驱动多指手食指的直流伺服电机；驱动多指手无名指的直流伺服电机。

所述传感系统是由4个完全相同FSR系列的压阻式传感器构成，每一个传感器安置在该多指手每一只手指上末端指节的相应的便于抓取的位置上，可依据其工作原理对在抓取过程中的每只手指实时接触压力值进行采样，从而可以确定该多指手在抓取过程中的每只手指实时接触压力的大小，便于控制该多指手对于物体抓取。

本发明中欠驱动自适应多指灵巧手控制系统的有益效果是：

        本发明硬件结构简单，控制精准，成本较低，运行可靠性高，负载能力强，能够自适应抓取任意物体，具有明显异于其他欠驱动多指灵巧手控制系统的较优的运动控制性能和稳定性。

附图说明

图1为本发明中欠驱动自适应多指灵巧手控制系统的结构框图。

图2为本发明中控制系统软件流程图。

图3为本发明中控制系统硬件结构框图。

图4为本发明中传感系统（4个完全相同FSR压阻式传感器）安放位置示意图。

 

图中：

1-上位机            2-控制器               3-传感系统               4-直流伺服电机驱动芯片 

5-直流伺服电机单元             6-灵巧手机械本体                    7-拇指FSR传感器放置位置

8-中指FSR传感器放置位置        9-食指FSR传感器放置位置         10-无名指FSR传感器放置位置     

31-拇指FSR传感器      32-中指FSR传感器      33-食指FSR传感器       34-无名指FSR传感器

41-拇指电机驱动芯片    42-中指电机驱动芯片    43-食指电机驱动芯片     44-无名指电机驱动芯片           

51-拇指直流伺服电机   52-中指直流伺服电机   53-食指直流伺服电机    54-无名指直流伺服电机           61-拇指                62-中指                63-食指                 64-无名指   

具体实施方式

下面结合实附图对本发明的一种欠驱动自适应多指灵巧手控制系统做出详细的说明。

如图1所示，本发明的控制系统中包括有上位机（1）、控制器（2）和传感系统（3）等部分，通过VC++软件编程，上位机不但可以通过协议与控制器进行通信，而且在上位机人机友好界面中可发送运动指令以及设定相应控制参数。上位机软件通过与下位机进行通信，能够有效地实现多指手的速度和压力反馈调节，完成指定的抓取和放松任务。上位机人机友好界面中包括直流伺服电机的速度、机械手抓取物体压力阈值、三环控制中当前电流值等参数值，同时能显示执行机构的当前位置、位置超差、与目标位置的位置偏差等位置信息，在抓取过程中的实时压力大小的传感器压力采样信息等运动信息。下位机软件通过采用先进的控制算法保证精度，可以实时校正误差，并且多指手在抓取各类物体的运动过程中，如果出现异常或者死锁现象，下位机软件能够在抓取过程中对物体提供一定的保护机制，通过相应保护程序实现电机的急停，实现对物体的自动保护。

控制器（2）接收来自上位机（1）的信号，并根据所接收的信号对直流伺服电机驱动芯片（4）发出相应的控制信号，使得直流伺服电机驱动芯片（4）用来驱动相应的直流伺服电机（5），即：拇指直流伺服电机驱动芯片（41）用来驱动拇指直流伺服电机（51）；中指直流伺服电机驱动芯片（42）用来驱动中指直流伺服电机（52）；食指直流伺服电机驱动芯片（43）用来驱动食动直流伺服电机（53）；无名指直流伺服电机驱动芯片（44）用来驱动无名指直流伺服电机（54）。

直流伺服电机单元（5）经由直流伺服电机驱动芯片（4）驱动后，按照自适应抓取物体的控制要求来驱动欠驱动多指灵巧手机械本体（6）的运动，即：拇指直流伺服电机（51）用来驱动多指手拇指（61）的运动；中指直流伺服电机（52）用来驱动多指手中指（62）的运动；食指直流伺服电机（53）用来驱动多指手食指（63）的运动；无名指直流伺服电机（54）用来驱动多指手无名指（64）的运动。

传感系统（3）是由4个完全相同FSR系列的压阻式传感器构成，每一个传感器安放在每一只手指末端指节的相应位置上，该位置便于手指接触物体和进行压力值采集，能够有效抓取物体，即：FSR传感器（31）放置在拇指（61）相应末端指节相应位置上；FSR传感器（32）放置在中指（62）相应末端指节相应位置上；FSR传感器（33）放置在食指（63）相应末端指节相应位置上；FSR传感器（34）放置在无名指指（64）相应末端指节相应位置上。依据该类传感器的特点，采样值通过控制器硬件电路AD转换，反馈给上位机软件，从而可以确定该多指手在抓取过程中的每只手指实时接触压力大小，且上位机软件设定了每只手指的压力阀值，便于控制该多指手对于物体自适应抓取。

如图2所示，该图示出了本控制系统的软件流程，上电后，系统开始运行，且自动初始化（包括DSP系统及各功能模块初始化）。

欠驱动多指灵巧手抓取物体软件流程如下：通过操作上位机软件，上位机给灵巧手发出抓取命令，直流伺服电机正转，灵巧手手指开始弯曲。电机正转时，电机的转速、位置、电流不断被检测，同时灵巧手继续弯曲。系统在从灵巧手开始运动到稳定抓取物体的过程中，始终对每只手指的压力值进行采样,采样值实时地送至DSP处理器中的AD转换器进行数据处理。电机的电流值随着灵巧手抓取过程的不断变化而变化，只要电机的电流值未达到设定的上限，电机就会继续正向转动，灵巧手继续抓取物体，压力传感器不断获得采样值，直到传感器获得的压力值达到设定的最大压力值为止，此时灵巧手能够紧紧握住物体，实现包络抓取，同时下位机程序将立刻停止电机的转动，电机正向运动停止，欠驱动灵巧手对物体的抓取过程结束，并能稳定地抓取物体。如果由于所抓取物体的形状、尺寸等原因，某个或者几个手指的压力传感器的布置点未能接触到物体，下位机软件会通过相应的程序，去检测该只手（或几只手）的电机电流是否超过预先设定的电机电流上限值，如果电流值超过预先设定的上限，则认为电机堵转，从而可以停止此种情况下电机的正向运动。如果在抓取过程中，某只手指（或全部手指）运动出现了异常，其电机电流值达到设定的上限，下位机通过相应的程序（错误处理）将立刻使直流伺服电机停止正向转动，抓取过程提前结束。

欠驱动多指灵巧手伸直过程软件流程控制如下：当电机正向运动停止，即灵巧手抓取物体的过程结束，继续通过操作上位机软件，使上位机给灵巧手发出放松命令，直流伺服电机开始反转，灵巧手手指开始逐渐放松（伸直）。电机反转时，电机的转速、位置、电流不断被检测，同时灵巧手继续伸直。灵巧手逐渐放开物体。只要电机的电流值未达到设定的上限，电机就会继续反向转动，直至灵巧手彻底伸直，此时灵巧手手指伸直过程结束。通过下位机软件对灵巧手每只手指初始”零位”的设定，电机将从电机正转停止时的稳定抓取点一直反转至每只手指的初始“零位”点，正转行程将和反转行程距离相同。当电机反转电流值达到设定的上限，下位机通过相应的程序（错误处理）将立刻使直流伺服电机停止反向转动，灵巧手手指伸直过程提前结束。

如图3所示，该图示出了本控制系统的硬件结构框图，该控制系统控制方案采用DSP和FPGA，DSP可以提高本控制系统算法的速度，FPGA在本系统中用于外围电路。系统包括DSP基本外围电路，即包括：系统电源、复位电路、外扩存储、JTAG 调试、时钟电路等，同时还包括外围电路的设计，该外围电路包括：USB接口电路设计、RS485电路设计、传感器电路设计、电机驱动电路设计、编码器电路设计等。

 DSP基本外围电路设计内容如下：系统电源的输入和输出都加上磁珠隔离，每个地上加一个高压瓷片电容，外部提供纯净的+5V 电源输入，为了提高可靠性，经过一个铁氧体磁珠滤波后进入电源芯片TPS767D301。复位电路仅采用了简单的复位按钮RESET，按下按键时，DSP的复位引脚接地，系统实现复位。在系统运行时，有可能发生干扰和被干扰，严重时甚至会出现死机现象。时钟电路采用DSP的内部振荡器,用外部晶振给芯片提供时基,X1/XCLKIN和X2引脚分别接30MHz外部晶振的两端。时钟源模块采用锁相环(PLL)技术对外部时钟频率进行5倍频,就可以获得非常稳定的150MHzCPU时钟。系统采用一片CY7C1021外扩RAM，扩大寻址空间。它的16 位地址总线和16 位数据总线分别接到TMS320F28335的XA[0]～XA[15]和XD[0]～XD[15]。

 外围电路设计内容：系统的通信设计采用USB总线来传输数据，不仅结构简单、传输稳定性高而且传输速率快。系统在数据采集处理同时, 可以方便地与当地PC利用DSP的SCI 串行口进行通信。通信系统中主机（上位机）通过USB协议与USB设备(控制器)进行通信，协议版本为2.0版本，采用USB控制传输方式。USB驱动芯片选用FT245RL，本系统主要针对USB硬件电路设计和软件编程展开。USB接口软件设计包括微控制器(DSP)和PC机两部分，微控制器(DSP)的软件设计主要实现微控制器FT245RL数据交换功能；而PC机的软件设计则通过USB接口实现PC机（上位机）与FT245RL数据传输功能。包括驱动和用户两部分程序。FT245RL通过8位并行数据口AD[0：7]和4个读写状态/控制口与微控制器进行数据传输。而PC机与FT245RL则通过USB总线传输数据。RS485串口设计采用芯片MAX485ESA。AD电路设计采用的芯片是ADS7953SBDBT,TMS320F28335芯片上有一个12位的，16通道的AD转换器。编码器电路的设计:在电机闭环控制系统中，通常将光电编码器作为检测元件来测量电机的转速及电机位置，而将光电编码器输出的三路脉冲信号直接接至FPGA，在FPGA内部设计正交解码(QEP)鉴相和计数电路，则可完成FPGA 对电机转速及转向的检测。TMS320F28335通过外部存储器总线EMIF与FPGA实现通信，FPGA内部对光电编码器信号处理完成后得到的计数器数据，可以由TMS320F28335通过EMIF总线读取。

如图4所示，该图示出了传感系统（3）中多指灵巧手每一只手指的FSR传感器在每只手指对应的末端指节相应位置上放置的具体位置，这些位置是经过大量的抓取测试获得的便于每只手指抓取各类物体的最优位置点，即：FSR传感器（31）安放在拇指（61）相应末端指节图示位置上；FSR传感器（32）安放在中指（62）相应末端指节图示位置上；FSR传感器（33）安放在食指（63）相应末端指节图示位置上；FSR传感器（34）放置在无名指指（64）相应末端指节图示位置上，这些传感器最优放置点在大量的实验中被证明有效。

Claims (7)

1.一种欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，其特征在于，除了包扩有上位机（1），还包含有控制器（2）和传感系统（3）等部分，控制器（2）接收来自上位机（1）的信号，并根据所接收的信号对直流伺服电机驱动芯片（4）发出相应的控制信号；直流伺服电机驱动芯片（4）接收来自控制器（2）所发出的控制信号，并驱动直流伺服电机单元（5）按照控制要求驱动欠驱动多指手机械本体（6）运动，即：直流伺服电机通过传动机构实现拉动腱（钢丝绳）和释放腱的运动，从而实现其伸缩，完成对任意物体抓取和自动放松的功能，同时依据传感系统（3）中压阻式传感器的工作原理，在抓取过程中对每只手指实时接触压力值进行采样，能够更好地控制该多指手对于物体抓取。

2.根据权利要求1所述的欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，其特征在于，所述的上位机（1）包含有可以实现任意物体抓取的特定的发送运动指令和控制参数的软件，该上位机软件通过与下位机进行通信，能够有效的使多指手的每只手指实现速度和压力反馈调节，采用先进的控制算法保证精度，可以实时校正误差，并且在多指手在抓取各类物体的运动过程中，如果出现异常或者死锁现象，下位机软件能够在抓取过程中对物体提供一定的保护机制，通过相应保护程序实现电机的急停，实现对物体的自动保护。

3.根据权利要求1所述的欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，其特征在于，所述的直流伺服电机驱动单元（4）包含有用来驱动拇指直流伺服电机（51）的拇指直流伺服电机驱动芯片（41）；驱动单元（4）包含有用来驱动中指直流伺服电机（52）的中指直流伺服电机驱动芯片（42）；驱动单元（4）包含有用来驱动食动直流伺服电机（53）的食指直流伺服电机驱动芯片（43）；驱动单元（4）包含有用来驱动无名指直流伺服电机（54）的无名指直流伺服电机驱动芯片（44）。

4.根据权利要求1所述的欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，其特征在于，所述的直流伺服电机单元（5）包括有驱动多指手（6）的拇指（61）的直流伺服电机（51）；驱动多指手（6）的中指（62）的直流伺服电机（52）；驱动多指手（6）的食指（63）的直流伺服电机（53）；驱动多指手（6）的无名指（64）的直流伺服电机（54）。

5.根据权利要求1所述的欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，其特征在于，所述传感系统（3）是由4个完全相同FSR系列的压阻式传感器构成，每一个传感器安放在该多指手每一只手指上末端指节指尖附近相应的便于抓取的位置上，即：拇指FSR压阻传感器（31）安置在拇指（61）上；中指FSR压阻传感器（32）安置在拇指（62）上；食指FSR压阻传感器（33）安置在拇指（63）上；无名指FSR压阻传感器（34）安置在拇指（64）上，可依据其工作原理对在抓取过程中的每只手指实时接触压力值进行采样，从而可以确定该多指手在抓取过程中的每只手指实时接触压力的大小，便于控制该多指手对于物体抓取。

6. 根据权利要求1所述的欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，其特征在于，所述的控制系统硬件电路是由DSP基本外围电路和外围电路组成，DSP基本外围电路设计包括：系统电源、复位电路、外扩存储、JTAG 调试、时钟电路等内容；外围电路设计包括：USB接口电路设计、RS485电路设计、传感器电路设计、电机驱动电路设计、编码器电路设计等内容。

7.根据权利要求1所述的欠驱动自适应多指灵巧手控制系统，其特征在于，所述的控制系统具有一定的开放性，可以通过修改相应的程序，提高控制系统抓取物体和多指手轨迹规划的性能，较好地实现自适应和完成所需的各类抓取任务。

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