灵巧型触感交互装置的设计 - 图文

摘 要

本文所设计的主从系统是由主操作手与五指灵巧手组成。主操作手将操作者手指运动信息传递给五指灵巧手,控制五指灵巧手完成一定的目标任务,同时将五指灵巧手所受力反馈给操作者。主操作手采用最基本的连杆机构作为骨架结构,超声制动器与涡旋弹簧实现力反馈的作用；五指灵巧手是以超声电机作为驱动单元,由弹性线作为传动装置设计了一种仿人灵巧手。

最后,本文以DSP2812作为处理器建立了主从系统的运动控制系统,包括主从系统硬件电路设计与软件编程两大方面。硬件电路设计由DSP2812系统电路,超声电机正反转/调速电路,数据采集电路等组成；软件编程方面采用增量式数字PID的控制方法,实现了对主从系统的位置反馈控制。

关键词：主操作手,五指灵巧手, 触感交互装置

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Abstract

The master-slave control system proposed in the paper is composed by master hand and five-fingered dexterous hand. The master hand transports the movement of the operator to the five-fingered dexterous hand and controls the five-fingered dexterous hand to complete the certain tasks. At the same time, the force from the five-fingered hand is feedback to the operator. The structure of the master hand adopts the links mechanism and the force feedback is achieved by the ultrasonic brakes and vortex springs. The five-fingered hand is driven by ultrasonic motors and transmitted by elastic lines.

Finally, the master-slave control system based on DSP is established in the paper, including the master-slave control system hardware circuit and software programming. The hardware circuits include the module of DSP2812 system, direction control module of USMs, velocity control module of USMs, data acquisition module and so on. Incremental digital PID control method is used to realize the location feedback control.

Key Words：Master hand；Five-fingered hand；Haptic interface device

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目录

摘 要 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 Abstract -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 目录------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 第一章 引言 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

1.1灵巧手系统的发展概况 ------------------------------------------------------------------------------- 4 1.2灵巧型触感装置的介绍 ------------------------------------------------------------------------------- 6

1.2.1穿戴型主操作手例说 ------------------------------------------------------------------------- 7 1.2.2桌面型主操作手例说 ------------------------------------------------------------------------- 9

第二章 被动式力反馈主操作手设计 ----------------------------------------------------------------------- 11

2.1主操作手设计任务 ------------------------------------------------------------------------------------ 11 2.2被动式力反馈主操作手机械结构设计 ----------------------------------------------------------- 11

2.2.1主手总体结构 --------------------------------------------------------------------------------- 12 2.2.2主手单手指结构设计 ------------------------------------------------------------------------ 12 2.3传感器的选用 ------------------------------------------------------------------------------------------ 15 2.4主手指尖位姿计算 ------------------------------------------------------------------------------------ 16 2.5主手力反馈计算 --------------------------------------------------------------------------------------- 18 2.6本章小结 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 22 第三章 主从控制系统硬件设计 ------------------------------------------------------------------------------ 23

3.1电源电路 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 23 3.2核心处理器 --------------------------------------------------------------------------------------------- 23

3.2.1控制芯片的选择 ------------------------------------------------------------------------------ 23 3.2.2SEED-DEC2812开发板资源利用 --------------------------------------------------------- 25 3.3超声电机驱动控制电路 ------------------------------------------------------------------------------ 26

3.3.1超声电机的驱动电路 ------------------------------------------------------------------------ 26 3.3.2超声电机的控制电路 ------------------------------------------------------------------------ 27 3.4数据采集电路 ------------------------------------------------------------------------------------------ 31 3.5本章小结 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 33 第四章 总结与展望 --------------------------------------------------------------------------------------------- 34

4.1总结 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 34 4.2展望 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 34 致 谢 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37 参 考 文 献 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38

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第一章 引言

1.1灵巧手系统的发展概况

随着科技水平的不断进步和新兴的交叉学科不断涌现，如太空探索、核能开发、医疗器械等都对机器人技术提出了更高的要求，而传统的工业机器人末端夹持器有一些缺点，如灵活性差，感知能力低下，力的控制精度不高等。近二十几年来，由于工程应用的迫切需要，多指灵巧手的研究工作得到了迅速的发展，并已逐渐成为一个专门的研究领域，涵盖从空间探索到医疗器械等领域中的一些重大课题。由于多指灵巧手涉及机构学、材料科学、机器人学、计算机图形学、自动控制等学科，近年来很多国家都已成立了专门的多指灵巧手实验室或研究中心，以大力发展这一高新技术。目前，国内该技术的研究相对薄弱。随着我国载人航天事业的成功，太空探索的步伐也就大大加快了！其中如何帮助宇航员太空舱外的探索变得十分迫切。由于太空服内与太空舱的气压不等，宇航员在走出太空舱之前至少需要准备三个小时；在走出舱外时，宇航员会立即翻起筋斗，与太空舱相连的安全索会缠绕起来，这些都增加了不安全因数。虽然在一般场合下，人手远胜于灵巧手，但穿着笨重太空服的宇航员手的技能与灵巧手相比，已没有优势可言。如果灵巧手具备了五个手指，就能为宇航员提供一个有效的工具，宇航员就可以在舱内操纵舱外的灵巧手进行太空探索。此外，国外在核能开发的恶劣环境下和微创手术的医疗器械中，也都开始应用灵巧手。因此，无论是从理论上还是工程应用上看，大力加强多指灵巧手的研究，都显得格外迫切。

灵巧手技术的发展经历了4个阶段。(1).早期阶段。多指手最先是从假肢开始的。1509年，人们为在战争中失去一只手的年轻战士Berlichingen制作了弹簧驱动的假手[1]。这只假手在战斗中发挥了重要的作用，但是在生活中却很不方便。在Berlichingen手之后人们又相继研究了许多假手，有些假手至今仍在使用。Chilidress将这些手分为装饰型、被动型、身体驱动型和外部动力型四种，其中动力型手从1920年开始流行，从30年代开始得到广泛的应用。(2).初期阶段。Tomovic和Boni于1962年研制成功的Belgrade手最初是为前南斯拉夫的一位伤寒病患者而设计的，它被认为是世界上最早的灵巧手。从20世纪70年代开始，国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。1974年日本研制成功的Okada手，可以完成将螺栓拧进螺母之类的操作，它是初期灵巧手的典型代表，如图1.1所示。(3).中期阶段。20世纪80年代以来，灵巧手进入了一个快速发展时期，

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一批著名的灵巧手相继问世。如美国麻省理工学院和犹他大学1980年联合研制成功的Utah/MIT手(图1.2)、美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL[2]手(又称Salisbury手)(图1.3)等，这些成果奠定了灵巧手的理论基石和技术基础。(4).20世纪90年代以后，以德国和意大利为代表的欧洲和美国在灵巧手方面的研究非常活跃，典型代表是意大利研制的DIST手(图1.4)和UB手(图1.5)、德国宇航中心研制的两代DLR手(图1.6，1.7)以及美国宇航局研制的NASA手(图1.8)等。利用相关领域的成果，这些灵巧手具有很高的集成化和智能化水平，标志着灵巧手的研究已经进入了一个成熟的发展阶段。我国的灵巧手研究起步较晚，北京航空航天大学于80年代末开始灵巧手的研究与开发，其代表为BH系列灵巧手。图1.9就是BH-4型灵巧手。哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心机器人与系统动力学研究所开展合作，双方基于DLRII共同研制开发了HIT/DLR机器人灵巧手，如图1.10所示[1]。

图1.1Okada手

图1.2Utah/MIT手

图1.3Stanford/JPL手

图1.4DIST手

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图1.5UB手

图1.6DLR-1手

图1.7DLR-2手

图1.8NASA手

图1.9BH-4手

图1.10HIT/DLR手

这些灵巧手都采用了仿人手的设计，以便于将人手的动作准确地映射到灵巧手上，实现人手位姿的再现，在实际作业环境下完成操作者所希望的操作动作。在灵巧手系统中，我们把以上用于实际作业的机械手称为从手，而人实际操作的，用于获取人手位姿信息的装置，称为触感交互装置。

1.2灵巧型触感装置的介绍

触感交互装置是一种与操作者交换信息的机器人。一方面它将操作者的有关运动信息(一般是手部的)作为输入，另一方面将虚拟环境或远程控制中从机器人所受的力作用反馈给操作者。一般我们认为灵巧型触感交互装置即为具有力感应

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的主操作手。与仅有视觉反馈的系统相比，灵巧型触感交互装置可以指挥从机器人完成更为精确的工作任务，如定位、感知物体的质感等，并具有较高的效率。

灵巧型触感交互装置的两大主要功能是主操作手的运动位姿测量和力触觉反馈。目前，它主要用于两个方面：一、主从控制系统，如精密微操作、极端环境中的工作：外太空、核反应堆等。二、虚拟现实系统，如模拟外科手术、游戏以及各种模拟训练。早期触感交互装置一般只应用于主从控制系统，1949年美国ANL实验室研制的纯机械结构的M1型主从式遥操作机[1]是最早的应用实例。随着计算机的发展，智能化、虚拟现实及科学可视化促进了触感交互装置应用领域的拓展。现在，越来越多的触感交互装置应用于虚拟现实领域。

由于人手上拥有最多、最丰富的触觉神经，因此目前所研究的触感交互装置大都基于手部结构。此外，相对人身体其他部位，人手的结构更加复杂，运动更加灵活，这也使得触感交互装置成为机器人研究领域的难点之一。近年来，各式各样的主操作手应运而生，从仅有位置检测的感应手套到兼具位置检测和力触觉反馈的交互装置。

主操作手从结构上可分为穿戴型和桌面型[3]。穿戴型主操作手一般具有符合人手结构的支撑骨架，外形与人手相似，其自身重量需由人手负担，一般固定于手掌背部(极少数采用掌内固定)，传感器需参照人手关节位置进行放置。桌面型主操作手一般不需由人手负重，通常放置在桌面上或有独立支撑机构，传感器放置空间较大，结构上不受人手限制，但往往随着自由度的增加而变得庞大和复杂。

主操作手的力反馈机构可以分为两类：一、主动式力反馈，即采用驱动器和传动机构，对操作者手部产生反作用力，从而达到力反馈的效果。二、被动式力反馈，即采用阻尼器或弹性元件结合制动器、离合器等组成力反馈机构。主动式力反馈具有控制灵活，力作用较大等特点，但也有诸如结构较复杂，尺寸较大等缺点。被动式力反馈在控制灵活性上不如前者，但其具有结构简单，较安全等优点。

1.2.1穿戴型主操作手例说

（1）意大利PERCRO实验室开发了一种具有力反馈的主操作手，如图1.11所示。

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图1.11 PERCRO手

整个主操作手是穿戴式结构，由四个独立的背部骨架式结构组成，每个手指骨架有四个自由度，其中三个主动自由度，分别由三个伺服直流电机驱动，一个被动自由度，整体具有15个自由度。主操作手与操作者每根指骨都有力接触点，最大施力为3N，因此在抓取工作时，该主操作手的力场还原性较真实。传动方式采用单向腱传动，这就使得手指部分结构简单，重量较轻。腱传动方式虽然可以降低电机到连杆的惯性引起的振动，但是也会产生电机转矩和关节转矩之间的耦合关系，而且腱传动会引起额外的摩擦力。该主操作手采用基于金属应变计的内置力传感器进行力的测量，而关节角度由一种采用康铜+导电塑料混合技术的内置电位传感器测量。此外，该操作手重量达到了1.3kg，操作者需承受整个主操作手的自身重量，在长时间操作时，操作者容易产生疲劳感。

（2）日本东京大学的Nakagawara，Kajimoto等人设计制作的一种碰撞式多指主操作手，使用迂回式关节的外骨架机构，结构紧凑，实现了操作者手指的较大工作空间，如图1.12所示。

图1.12碰撞式多指主操作手

该主操作手采用类似齿轮齿条机构，通过与关节角位移成比例的延伸连杆长度的办法，解决了主操作手手指弯曲时对操作者造成的干涉。巧妙地采用反射式光电传感器和薄板式压力传感器，对操作者手指进行跟踪和压力测量。在目标无接触运动过程中，操作者手指末端不与主操作手接触，这就使得操作者在运动过程中非常自由。当目标接触物体并施加力作用时，主操作手将对操作者产生力反

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馈。该操作手结构比较复杂，力反馈接触点集中于操作者手指末端。由于主操作手单个手指具有的三个关节被关联起来，由一个电机驱动，因此整个主操作手只能跟踪人手的自然弯曲过程，且具有较高的耦合性。 1.2.2桌面型主操作手例说

（1）SensAble科技公司的PHANTOM系列是目前使用最多的触感交互装置，如图1.13所示。它其实是一个具有良好反向驱动能力的机器人臂。

图1.13PHANTOM触感交互装置

PHANTOM作为一种高精度的触觉交互设备，可以提供非常大的工作空间和反馈力，以及6自由度的运动能力。该装置只能提供类似一个手指的力反馈，缺少灵巧性，但它作为一个单指结构可以为多指触感交互装置提供设计思路。

（2）日本Keio大学的Ueda和Maeno研制了一种多指输入鼠标型主操作手，如图1.14所示。

图1.14多指输入鼠标型主操作手

该装置具有四个独立的手指结构，分别具有3个自由度，分别对应从手的四个关节(其中一个自由度对应从手两个关节)。利用杠杆原理，将直流电机的驱动力矩转换为施加在操作者手指上的力作用。结构简单、小巧，采用双向控制方法，实时地与从手进行位姿和力信息的交互。操作者可以像操作鼠标一样对其进行操作，无需承受主手自身重量，而且具有结构可调单元，可适应不同操作者的手掌。

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整体结构只采用了一种电阻式电位器作为角度传感器，而所受力反馈大小可由计算得出，省去了力传感器的使用，因此降低了结构复杂性。

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AB是第2连杆的长度l2，BC是第3连杆的长度l3，借助电位计和简单的几何关系可以获得HA，HB，HC的值，则??以及AC的值为:

AD?l2?sin?B（2-16）

sin?180???A??B?l2?sin?A（2-17）

sin?180???A??B?CD?l3?AC?AD2?CD2?2AD?CD?cos?B（2-18）

???90??arcsin??AD?sin??A??B???（2-19）

AC??这样，在已知从手指尖力F的情况下，联立上述公式，就可以获得?A，?B的值。改变超声电机的驱动电压，同时保持两相驱动交流电的相位差为零，就可以控制静摩擦力矩?A，?B，从而使得人手指尖感到与从手相同的力感知。

人手指尖力与?A，?B的关系为:

FN??A?AC?sin????B?BC（2-20）

F???A?AC?cos??（2-21）

2F?FN?F?2（2-22）

图2-13 主手力矩与指尖力关系

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图2-14 超声电机1输出力矩与指尖力关系

图2-15 超声电机2输出力矩与指尖力关系

2.6本章小结

本文主要介绍了五指主操作手设计过程，其中包括了五指主操作手机械结构设计，以及五指主操作手指尖位姿计算，力反馈计算。

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第三章 主从控制系统硬件设计

控制系统是机器人的神经中枢，它是综合处理、协调各检测和执行部件的物质基础，同时也是各种控制算法和策略得以实现的实际载体。它根据用户指令对机械本体进行操纵、控制，保证机器人高质量地完成作业任务所规定的各种动作，其工作性能在很大程度上决定了机器人的工作质量，由此可见，在整个控制体系中，控制硬件及软件处于核心位置。整个主从控制系统主要实现以下两大功能：1实现对主手，从手各关节角度传感器的采集与处理；2实现对超声电机的有效控制，以便实现主从系统的精确控制。具体可以分为以下几大部分：电源电路，核心处理器，超声电机驱动控制电路，数据采集电路。

3.1电源电路

整个控制系统耗电主要分为以下几个部分[14]：1超声电机2测控系统电路板。其中超声电机，所需工作电压为15V，工作电流为300-400mA；测控系统电路板之中，信息采集电路需要5V电压，电机驱动电路则需要9V电压，我们采用三端稳压块7815，7809，7805变换得到所需电压，系统电源电路如图3.1所示：

图3.1系统电源电路

3.2核心处理器

核心控制器可以称为整个机器人系统的/。大脑。，它承担了整个系统的指挥、协调、数据存储和计算功能。系统的性能和容量很大程度上是由控制器的性能决定的。在主从控制系统中，核心控制器主要完成以下方面的内容：

1实现对超声电机的控制

2实现对灵巧手速度和位置信息的采集

3在获得外部数据的基础上，选择合理算法，对数据进行处理，并进行简单的路径规划

3.2.1控制芯片的选择

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控制芯片的性能决定了整个控制系统的控制程度，考虑到主从控制系统的实时性要求，控制器的处理速度要足够快；采集灵巧手的速度位置信息，以及传感器信息，并在此基础上做出合理的判断和相应的处理，则需要系统具有多个中断和丰富的外部接口；为满足灵巧手软件编程的要求，则需要具有大的存储空间；为节约能源消耗，则希望处理器的功耗尽量低。

目前市场上流行的处理器种类很多，主要包括：Intel公司的8051系列[39]，Philips公司的LPC2100系列，MOTOROLA公司的DSP56F800系列和TI公司的DSP2000系列[15]。综合考虑主从系统的性能要求，我们选用了TI公司DSP2000系列中专门用于电机控制的TMS320F2812控制芯片。

TMS320F2812控制芯片主要有以下特点：

1采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；最高可达150MIPS的执行速度使得指令周期缩短到6.67ns(150MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。其内部有PLL电路可以对外部的时钟输入信号进行频率变化，变动范围在0.5~5。

2片内有高达128K*16位的FLASH；128K*16位的ROM；1K*16位的OTPROM；两块4K*16位的单周期访问RAM(SARAM)；一块8K*16位的单周期访问RAM(SARAM)；两块1*16K位的单周期访问RAM(SARAM)。

3具有两个事件管理模块EVA和EVB，特别适合于电机控制。每个模块包括：8通道16位PWM输出，其中6个互补输出可驱动一个三相PWM全控桥；灵活死区产生和配置单元；外部可屏蔽的功率/驱动保护中断；正交脉冲编码电路，可实现与增量式光电编码器的无缝接口；三个捕捉单元，可精确捕捉外部引脚电平发生跳变的时刻。

4外部扩展接口XINTF，高达1M的寻址空间，分为5块空间，便于开发复杂的应用程序；支持可编程的等待状态和读写时序，便于灵活配置DSP与扩展芯片间的时序；提供三个独立的片选信号，简化了系统硬件设计。

5丰富的串行接口外设，其中包括：一个高速、同步串行外设接口；两个串行通信接口；一个兼容CAN2.0B标准的增强型控制局域网接口；一个多通道缓冲串口。

6A/D转换模块。12位分辨率的A/D转换器；2个8通道输入的多路开关；两个采样保持器，可单路或双路同步采样；借助于功能强大的排序器，可编程实现

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多个通道的自动转换；A/D转换率可达12.5MSPS，输入电压范围为0-3V。

7看门狗定时模块；三个外部中断源；外部中断扩展模块，支持45各外设中断；3个32位的CPU通用定时器；多达56个可编程的通用I/O引脚。

8软硬件开发工具。ANSIC/C++编译器/汇编器/连接器；兼容TM3202024X/20X处理器的源代码；通用的集成开发环境CCS；提供DSPBIOS支持，可为程序员提供底层的应用函数接口；具有并口、USB、PCI/ISA接口等结构形式的硬件仿真器。

3.2.2SEED-DEC2812开发板资源利用

DSPTMS320F2812是TI公司新推出的数字信号处理器，该系列处理器是基于TMS320C2XX内核的定点数字信号处理器。该处理器上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用提供了良好的平台。同时DSPF2812代码和指令与F24X系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目或产品设计的可延续性。

SEED-DEC2812开发板主要功能模块包括16通道12为分辨率的A/D模块、2通道RS232/RS422/RS485异步串口、1通道USB2.0、1通道CAN2.0B、4通道12位分辨率的D/A以及可配置为通用I/O口的PWM模块，片外64KSRAM等。扩展总线兼容3.3V和5V，如图3.2所示。

图3.2 SEED-DEC2812开发板资源框图

主从系统控制对实时性有较高性要求，DSP2812最高主频达到150M，其内部有PLL电路可以对外部的时钟输入信号进行频率变化，流水线操作，比其他芯片更能满足实时性操作。

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超声电机驱动包括启停、正反转控制，由3.3章节可知，超声电机启停、正反转需要通过控制CD40109芯片，CD40109芯片控制引脚需要3.3V电平，而DSP2812I/O口输出高电平为3.3V，低电平0V，因此DSP2812I/O口能够准确实现超声电机的启停、正反转控制。同时对于超声电机速度调节，本文采用调压调速，DSP2812开发板自带D/A7724，亦能实现对超声电机的速度调节。

主从系统控制采用闭环控制，需要对采集模拟电压进行数模转换，然后通过处理器进行处理，驱动五指灵巧手实现一定功能。DSP2812自带16通道，12分辨率A/D模块，可实现对主从系统数据的采集。

DSP2812具有丰富的外部中断，为主从系统硬件开发提供更为良好的环境，事件管理器EVA、EVB具有多种功能，在主从系统电路中，为外扩数据采集模块提供时钟信号，亦能做为时钟单独使用，同时三个捕捉单元，可精确捕捉外部引脚电平发生跳变的时刻，正交脉冲编码电路，可实现与增量式光电编码器的无缝接口。

3.3超声电机驱动控制电路

3.3.1超声电机的驱动电路

当前，超声电动机的驱动电路是建立在大功率半导体器件、开关逆变电路、高频变压器等现代电源技术的基础之上而设计的，主要采用隔离型的半桥、全桥或推挽式的两相谐振驱动电路[16]。

主从系统中所用的超声电机的驱动器是南京航空航天大学精密驱动研究所自主研制的，它采用的是推挽型逆变功放电路，如图3.3所示，T1~T4是采用MOSFET功率场效应管；U1~U4为控制开关管导通截止的四路方波控制信号或PWM信号；M1、M2为带中心抽头的高频变压器。此电路是完全对称的两个单端正激变换器构成的，电路的输出由高频变压器(或另串联电感)与容性负载相耦合，通过改变变压器的匝数比，可以使负载成为功放要求的最佳负载，保证开关管工作的最佳状态。

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图3.3 推挽功放电路

推挽逆变功放电路的主要优点是导通路径上串联的开关管数在任何瞬间只有一个工作，两个开关管的驱动电路具有公共地，其驱动电路简单。缺点是难以防止高频变压器的直流饱和。 3.3.2超声电机的控制电路

1.超声电机启停、正反转的控制[17]

主操作手所选用的超声电机的启停和正反转控制信号电平为+9V，而F2812的I/O输出高电平为+3.3V，所以需要通过低-高电平转换器件来实现电机的控制。我们选用的是CD40109-CMOS四通道低-高电平位移器，该芯片引脚及功能表如图3.4所示。CD40109芯片有四路输入输出，正好满足两电机(启动、停止、正转、反转)控制的需要。芯片的输入引脚A、B、C、D直接与F2812的I/O口相连，输出引脚E、F、G、H接超声电机驱动电路。

由图3.4可知，当VDD=+9V，ENABLEA、B、C、D逻辑值=1时，就可以通过F2812的I/O口输出实现对电机的控制：I/O口输出为高电平(+3.3V)，A、B、C、D的逻辑值=1，对应的输出E、F、G、H就为高电平(+9V)；I/O口输出为低电平(0V)，A、B、C、D的逻辑值=0，对应的输出E、F、G、H为低电平(0V)。当控制电机启停信号为高电平(+9V)时，电机转动，否则电机停止；当控制电机正反转信号为高电平时，电机正转，否则电机反转。

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图3.4 芯片引脚及电路图

2.超声电机速度调节的实现超声电机种类繁多，根据其利用的机械波的不同，可以分为行波型和驻波型两大类[18]。行波超声电机(Travelingwavetype Rotary Ultrasonic Motor，缩写为TRUM)是目前应用最为广泛的超声电机类型，它利用超声频段的交流信号驱动定子上的两相压电陶瓷元件，使其产生同频异相的弯曲共振模态，并叠加成单一旋转模态))行波，最后通过定转子之间的摩擦作用驱动转子运动。其工作原理如图3.5所示。

图3.5 行波超声电机工作原理示意图

由于超声电机的工作原理不同于一般的电磁电机，它的动态特性目前还没有研究透彻，所以现在亦无完善的驱动、控制方法。超声电机的速度-驱动频率呈现高度非线性，而且存在以下时变特性：￥转速的周期性波动，这是由电机的本身的驱动原理和机械结构造成的。随着电机的运转，定子上压电元件的温度会慢慢升高，谐振频率漂移。不同负载下的速度-驱动频率特性不同。图3.6为三种情况下的速度-驱动频率特性：(a)电机刚启动时(b)运转2分钟后(c)在2[N·m]负载作用下。

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图3.6 三种情况下电机的速度-驱动频率特性

可见，要想实现超声电机的实际应用离不开对其驱动和控制的研究，驱动方式和控制技术的优劣，直接关系超声电机的输出性能，更会影响超声电机的应用和推广。

行波超声电机驱动控制是通过改变对压电陶瓷的激励参数从而控制超声电机定子的振动特性。根据超声电机的驱动原理，电机调速的方法有：调压调速：改变施加在压电陶瓷上的电压幅值，从而调节行波的幅值以改变转速。调频调速：当驱动频率工作在谐振频率点时，振子的阻抗最小，振幅最大，电机有很高的转速。当驱动频率向反谐振点变化时，电流逐渐变小，振幅也变小，电机转速随之下降。改变电机的驱动频率可以直接影响电机的转速，而且变化也快，这种方法是目前最常用的方法。?调相调速：改变电机两相工作电压之间的相位差，从而改变了定子表面质点的椭圆运动轨迹。另外还可以通过改变通断电时间比例或正反转时间比例(即调节低频占空比)实现调速[20]。综上所述，超声电机可以选用调频调速，调压调速，调相调速和低频脉宽调制调速的方法控制超声电机速度，也可使用以上几种方法的综合。

本文采用调频调速的方法调节电机转速。具体的实现方法是：通过改变加在驱动电路中压控振荡器上的电压来改变其输出的PWM波的频率，进而实现超声电机驱动频率的改变即实现了对超声电机速度的调节。结合所用电机的速度-驱动频率特性，我们选取频率段40.5-40.8kHz作为控制范围，这一段频率特性线性度相对较好，易于对电机调频调速控制。该频率段对应电机的转速为8-64rmp，如图3.7所示。

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图3.7选取的速度控制范围

为了确定控制电压与电机转速的关系，我们用扭矩测量仪采集了一列电机在负载为0.2N·m(约等于灵巧手抓取物体时电机的实际负载)时电机的控制电压-速度关系值，见表3.1。

表3.1超声电机运转与控制电压关系表

电压（V） 转速（rmP） 电压（V） 转速（rmP） 0 70 1.66 30 0.33 70 1.72 26 0.57 69 1.78 23 0.82 68 1.85 19 1.04 66 1.92 15 1.23 63 1.98 13 1.36 58 2.03 11 1.44 52 2.11 9 1.50 46 2.23 7 1.55 42 2.38 6 1.61 35 2.50 5 通过matlab曲线拟合我们得到控制电压-速度三阶曲线方程

(y=-0.0000305x3+0.0033x2-0.1123x+2.9436，x为速度变量，y为控制电压变量)，如图3.8所示

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图3.8 电压-速度曲线

当电机实际转速与期望转速不一致时，通过PI控制算法和超声电机控制电压-速度关系曲线，得到了超声电机速度控制电压的修正值，这一数字值通过F2812外扩的DAC7724转换得到实际模拟电压值，模拟电压加在驱动电路压控振荡器上，改变其输出的PWM波的频率，进而实现超声电机驱动频率的改变，达到了调频调速的目的。

DAC7724输出为4通道、12位分辨率、0V—+10V量程，满足电机速度调节电压(0—2.5V)的需要。DAC7724芯片采用直接二进制编码，理想的输入数字量与输出模拟量之间的关系为：VOUT=VREFL+(VREFH-VREFL)×N/4096，其中，VOUT为模拟输出；VREFL为低参考电压；VREFH为高参考电压；N为数字输入。

3.4数据采集电路

主从系统中，为了将信息反馈给处理器以实现闭环控制，则需要对电机的转速以及手指各关节角度进行测量。为此，我们把数据采集分为两个部分：主手数据采集和从手数据采集。主手数据采集主要采集主手各关节角度，即为主手位置反馈；从手数据采集则包括从手关节角度以及转动速度，即从手位置反馈与从手速度反馈。通过2、3章可知，关节角度信息采集是由SV01A型旋转位置传感器来实现。而速度反馈则是在此基础上通过时间与位移的关系，间接得到速度信息

[21]

。

信息采集模块主要采集主、从手位置信息，包括40个SV01A型旋转位置传

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感器的关节角度。旋转位置传感器将主、从手关节转角以电压的形式输出，通过A/D采样送入DSPF2812进行分析处理。

DSPF2812内部包含有A/D采样模块，为16通道，12位分辨率的A/D。电路设计的初始阶段，我们采用内部A/D模块，但在实验的过程中，发现该内部A/D模块存在着一些缺陷，精度与手册所述不符，不能满足系统的需要。

AD公司生产的ADS7842是一款4通道，12位分辨率，带参考电压可同时采样的模数转换芯片。该芯片的主要特点有：1功耗低，，2速度快，3精度高，4四路A/D可同时采样。解决了片内A/D模块的精度问题。具体结构如下图3.9所示：

AIN0-AIN3作为模拟输入，A0，A1通道选取信号，负责进行四通道的选择，VREF参考电压输入，CLK时钟输入，BUSY转换结束信号，低电平时代表芯片正在转换数据，高电平则表示转换完毕并进行读取，WR写信号，低电平有效，A/D芯片开始进行某个选中通道的转换，CS片选信号，RD读取数据信号，低电平时有效，处理器读取转换完毕信息。

图3.9芯片结构图

当WR信号拉低时，ADS7842处于转换模式，此时BUSY拉低，在第一个时钟信号上升沿到来时，芯片对选中通道进行模拟转换，第一个时钟转换周期进行MSB位的转换，在接下来的时刻，依次进行其他位数据的转换，当LSB转换结束时，BUSY拉高，进行读取转换数据。

下图3.10为ADS7842数据采集电路图，AIN0-AIN3与旋转位置传感器相连，作为模拟数据的输入通道，CLK与开发板事件管理器模块相连接，事件管理器模块为该模数转换芯片提供外部时钟，BUSY与开发板中断模块相连接，当芯片数据转换结束时，处理器转入中断模块读取数据，CS与一片三八译码器相连，作为该芯片的片选信号。

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转换后的数字量表示为：数字量=4095*模拟输入/5

图3.10 F2812外扩AD7842的电路原理图

3.5本章小结

本章主要介绍了主从系统硬件电路的设计。包括电源电路，处理器选择，电机驱动，数据采集。其中重点阐述了超声电机的驱动控制部分。

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第四章 总结与展望

4.1总结

经过三个月的工作，设计和分析工作顺利完成。在不断遇到问题，分析问题，解决问题的过程中，设计方案不断提出，最后优选确定。

本装置具有以下特点：

(1).原理简单，结构小巧、轻便，容易操作和进行结构改进。

(2).对一些重要部分的设计提出了有价值的方案，通过多种途径实现装置对手指位姿的测量和多自由度反馈力的提供。

(3).应用仿真分析的方法对设计进行验证，确保了最终方案的实用性，为后续开发奠定了良好的基础。

不过，由于时间和实验条件有限，设计还有许多有价值的工作没有进行： 指尖机构设计提出的一种应用电流变液体提供力反馈的方法发展前景广阔，与电磁吸力原理同样易于控制，而且可以进一步减轻装置重量，节省设计空间。虽然因条件限制而无法实现，但也能作为一种有价值的设想留待研究。

灵巧手主操作手的形式多样，设计思路发散性强，是一个多学科交叉领域，涉及到机构学、材料学、计算机、控制学、传感技术、通讯技术等相关学科。在遥操作、虚拟现实以及仿真训练等领域，灵巧型触感交互装置都是非常重要的设备。

4.2展望

今年来，世界各国学者对主操作手做了大量的研究，各种各样的主操作手应用而生，从仅有位置检测的感应手套到兼具位置检测和力触觉反馈的主操作手。主操作手是一个多学科交叉领域，涉及到机构学、材料学、计算机、控制学、传感技术、通讯技术等相关学科。在遥操作、虚拟现实以及仿真训练等领域，灵巧型主操作手都是非常重要的设备。它不但要接受操作者需要表达的信息，还要把控制信息传递给从机器人，并把力信息反馈给操作者，因此从结构以及与人之间的关系上来看，灵巧型主操作手其实就是一个个人化的机器人。在灵巧型触感交互装置的研究过程中，存在着诸多难点和需要解决的矛盾。比如，精确检测操作者运动位姿，完全还原接触环境力场，灵巧性和结构复杂性之间的平衡等等。目前国内对该领域的研究多集中于低自由度主操作手进行分析和优化，真正具有创

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新意识的研究成果还不多见，这也给了国内研究者更多的机遇和挑战。

由于客观原因以及本人研究水平所限，结合现有的研究成果，我们对未来灵巧型主操作手和主从控制系统的研究提出以下几方面建议:

(1)开发更加灵活、舒适的机械结构，理想的主操作手还应具有多自由度，多力反馈接触点的特点，实现满足功能要求而又使结构最优的目标。此外，还要考虑在结构上增加限位环节，使操作过程更加安全。LRP主操作手是一种比较理想的结构，既实现了多自由度，能精确反映操作者位姿，又丰富了力反馈接触点，增加了操作时的沉浸度。尽量采用轻型材料框架，最大限度地降低整体重量。

(2)开发尺寸更小，驱动力更大的微型驱动器。应用在灵巧型主操作手上的驱动器种类很多，大部分采用的是小型直流电机，也有一部分采用了气动元件，以及像超声电机这样的新型驱动器。每种驱动器都有自己的特点，直流电机在成本，驱动原理，控制方法上具有优势，然而其输出转速较大，需要齿轮减速单元。气动元件具有较大的直接驱动力，较小的径向尺寸等优点，但是结构上具有行程限制，且噪声较大。超声电机具有重量轻，响应快，静音运转，高能量质量比以及断电自锁等优点，但是在控制方法上还不成熟。随着新型驱动器研究的发展，相信触感交互装置将取得突破性进展。

(3)选择合适的传感器非常重要。由于灵巧型主操作手属于精密驱动机器人，因此传感器的灵敏度、分辨率将对控制效果产生很大影响。应用在触感交互装置上的传感器主要有两种:角位移传感器和力传感器。前者主要有编码器，霍尔效应元件，电阻式测角计等；后者主要有电阻应变式，板式等。某些灵巧型触感交互装置还应用了光电或超声波传感器检测手部的位姿。一般传统的传感器检测电路尺寸较大，不具有柔性，再加上一个主操作手往往需要应用许多传感器，这就会使整个传感器检测系统比较复杂，因此集成化是其比较重要的发展趋势之一。

(4)实验中，大多数开发者采用了成熟的PID控制方法。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。但是在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，PID控制器工作得不是太好。而灵巧型主操作手是非线性，高耦合的复杂系统，因此寻找一些非经典控制方法，如模糊控制、神经网络等方法将变得有意义。另外，智能化、集成化也是灵巧型主操作手的发展方向。前文所讨论的作品大多选择控制板卡加个人计算机作为控制系统，为了使触感交互装置更加实用化和智能化，可以选择嵌

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入式设计方案，结合智能化软件将整个系统小型化、智能化。

(5)进一步完善主从系统的控制。本文研究的目的是具有力反馈的主从控制系统，但由于本人能力有限，在主从系统的控制过程中，只限于位置控制，并没有涉及到力反馈的操作。在以后的控制过程中，需要进一步完善主从系统的控制，引入力反馈的作用。

(6)本文所采用的算法为，增量数字PID控制的控制方法，但是当前超声电机伺服控制策略的研究中还有其它的控制方法，其中以模糊控制和神经网络及其组合控制策略的研究较多。近年来，又有一些学者将非线性控制理论和遗传算法等技术引入超声电机的控制中，其控制效果以及工程应用前景还有待分析。目前，控制技术的发展与超声电机的应用存在脱节，其控制方法要么过于简单无法满足一定的精度，要么过于繁杂不能适应工程应用。所以，需要对超声电机的驱动控制做更为深入的研究。

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致 谢

在这次毕业设计中，我有很多收获，首先把我几年来所学的知识做了一次系统的复习，更深一步了解了所学的知识，培养了我综合运用所学知识，独立分析问题和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。这对我以后的工作有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平。经过本次设计，我切实体会到作为一个优秀的设计人员的艰难性。在设计过程中，我经常遇到各种各样的问题，有的是知识方面的不足导致的，有的是设计经验方面不足导致的。这些问题有时使得我束手无措，不过在指导老师帮助和自己的努力下，终于使得我顺利完成了设计。

虽然我的设计存在很多不足的地方，但在这两个多月的时间里，我学到了很多有用的知识，也积累了一定的设计经验，这些对于我即将要走向社会工作岗位，将起到很关键的作用。

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参 考 文 献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jyi7.html