新型柔性靈巧手的控制系統研究
戰強，馬健，薛陽
(北京航空航天大學，北京100083)
摘要：BHG—l型靈巧手是一種新型全驅動三指柔性靈巧手，其控制系統主要由上位Pc機和下位嵌入式控制器組成，通過RS232進行相互通訊。編寫了上位Pc機控制界面，實現控制參數的輸入、調節和傳感器信息的實時反饋。采用TMS320LF2607A設計了靈巧手的嵌入式控制器，并對硬件電路的各個模塊作了詳細的介紹。對驅動靈巧手的直流伺服電動機進行速度和位置的PID控制，提高了靈巧手的抓取性能。試驗證明該系統能可靠運行并達到預期的目標。
關鍵詞：靈巧手；DSP；直流伺服電動機；PID
中圖分類號：TM383．4 1 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)04—0035—03
 0引 言 多指靈巧手作為一種擬人化并能實現靈活操作的機器人末端操作器拓寬了機器人的應用領域，但由于其自由度過多導致控制比較復雜、成本較高，目前只能應用在實驗室階段，未能在生活、生產中得到廣泛應用。因此設計控制簡單、可以完成穩定抓取物體等擬人動作的靈巧手具有重要的現實意義和應用價值。而控制系統是靈巧手的重要組成部分，是靈巧手完成要求動作的重要保證。靈巧手的控制系統主要包括感知系統、數據采集處理系統、驅動系統、人機交互以及其它一些裝置。
1研究對象
本文研究的BHG一1型全驅動單自由度靈巧手[1]由三個完全相同的手指組成，如圖I所示。三個手指在掌部呈交錯對稱放置，每個手指有三個指桿，指桿之間存在著機械耦合，通過鋼絲進行傳動，減少了結構的復雜性；三個手指由一個嵌在手掌中的直流伺服電機進行驅動，并實現了各個手指的聯動；每個手指的第二和第三指桿均裝有擴散硅點接觸力傳感器，采集指桿受力信息。該靈巧手從結構與功能上模仿了人手的拇指、食指和中指，可實現對一定尺寸范圍內物體的包絡抓持，具有自由度少、結構簡單、控制系統相對簡單、成本低等優點。
2控制系統的總體設計
BHG-1型靈巧手對物體以包絡的軌跡進行夾持，是對新夾持方式的嘗試，其控制系統如圖2所示，主要包括上位Pc機和下位嵌入式控制器。  上位機通過串口發送夾緊、松開等命令及參數設定值至下位靈巧手控制器，并對其進行實時監控，實現人機對話，下位控制器根據命令驅動手指動作。
下位控制器采用電機專用控制：DSP芯片TMS320LF407A為核心，主要完成對各反饋傳感量進行采樣，對電機進行伺服控制，以及向上位機傳送各種控制參量。TMS320LF2407A特別適合于電機控制，其事件管理器具有分為十等優先級的40個中斷，其中的非法地址訪問中斷能在程序“跑飛”的情況下復位芯片，PWM封鎖中斷能夠在電機控制異常的情況下封鎖PwM輸出，保證了系統故障性處理的實時性[2]。DsP芯片集成的這些功能大大簡化了整個控制系統的設計。
2．1人機交互界面
通過上位PC機上的人機交互界面可以完成各種控制參數的輸入和調節，對傳感器反饋信息進行實時監測。如圖3所示，此界面包括三部分：操作區，向下位機發送命令；參數設置區，設置下位機的控制參數；顯示區，顯示來自下位機的當前信息。該上位機程序的界面美觀，操作簡單，執行效率高。
2.2異步串行通訊電路
TMS320LF407A內部集成的串行通信接口scI模塊是一個標準的通用異步接收／發送(uART)通信接口，有scITXD(發送輸出)和scIRXD(接收輸入)兩個外部引腳，其信號電平為TTL型。而Pc機串口的異步串行通信基于．RS232C標準，兩者的信號邏輯電平不一致，因此選用MAX232芯片進行電平匹配。該芯片有兩對收／發單元，實現DSP與PC之間的串口通信只需一對收／發單元即可。本文的串口電路采用三線制接法，如圖4所示，即圖。串口通訊接線圖地、接收數據和發送數據三腳相連。
2．3電機驅動電路
電機的驅動由PWM脈寬調制信號來實現，通過設定DSP的定時器Timerl的TlPER以及與T1CMPR產生PWM信號，Tl CMPR與T1PER比值即為PWM波形的占空比。PwM信號要控制伺服電機需進行脈沖分配，即對電壓／脈寬變換的信號進行適當的邏輯變換，分配給基極驅動電路以滿足功率轉換電路工作制式“通”、“斷”時序的脈沖電壓。本文采用電機驅動芯片Mc33186實現電機的雙極性可逆驅動，即在一個PWM周期內，電機電樞的電壓呈正負變化。Mc33186是H橋型驅動器[3]，如圖5所示，其工作電壓范圍是5～28 V，工作頻率可達20 kHz，具有過溫保護、短路保護和欠壓失效功能。
2．4速度、位置檢測回路
我們采用Maxon公司的MR編碼器作為電機的轉速和位置檢測元件，它輸出三路脈沖信號A、B、I，每相采用差分輸出方式，即A相脈沖分為A+、A-輸出，相位差180。，B和I也相同，輸出信號與訂TTL電平兼容。當編碼器產生脈沖信號時，通過檢測A、B兩個脈沖序列的先后順序來確定電機的旋轉方向，電機的角位置和轉速分別可用脈沖數和脈沖頻
率來確定。
在閉環伺服控制系統中，根據脈沖數來測量轉速的方法有M法、T法以及M/T法三種。M法適用于高速測量場合，因此我們選用M法測量轉速，即測取測速時間T內編碼器的輸出脈沖數N，從而計算出這段時間內的平均速度，得到轉速測量值。我們采用256線的編碼器，輸出脈沖送到DSP的QEP單元經過4倍頻處理后每轉發出l 024個脈沖，設定采樣周期為25 ms，N為當前采集的編碼器脈沖數，則電機當前的轉速為：
2．5指桿力采集處理電路
指桿力傳感器具有正負兩輸出信號端，采用運算放大器LM324對其進行兩級放大。第一級將正負輸出進行差分放大，第二級將放大結果再次放大以后輸出到DsP的AD模塊的模擬輸入通道。同時為了補償傳感器橋路不平衡所產生的電壓，本文設計了一個補償電路[4]，如圖6所示。電位器R。形成的電壓經過U20D進行阻抗變換后，通過R207加到第二級L,M324的同相輸入端，可起到補償的作用，補償范圍為-309～309 mV。
2．6控制算法
PID是工業中常用的控制算法，設計簡單，參數易調。在該控制系統中，速度／位置調節采用PI調節器，輸出信號為定頻調寬的PwM信號的增量，通過PI參數的不斷調節，進而調節PwM的脈寬，達到****的控制效果。其控制規律為：
式中：Kp為比例系數，TI為積分時間常數。該式為位置算法，其比例部分只與當前的偏差有關，而積分部分則是系統過去所有偏差的累積。系統進行PI算法的運算是一個不斷循環的過程，通過DsP的定時器Timer3設定一個固定的中斷周期，在每次周期中斷中獲得電機的轉速，每一次PI運算都采用當前更新的數據。PI運算的結果送到Timerl的TlcMPR里，在線及時地更新PwM的占空比。
本文所研究的系統是基于速度反饋的控制系統，結構框圖如圖7所示。
通過選取多組PI參數的設定并進行試驗，最終選取了一組合適的PI控制參數Kp=O.5，KI=0．4。引入PI控制器前后，電機的速度響應曲線如圖8所示。這里速度取3 000 r／min，經過PI控制器調節以后，響應時間縮短了，穩態誤差在百分之O．8左右，效果比較理想。
3控制系統軟件設計
控制軟件的核心是各模塊的初始化和中斷服務程序。各模塊的初始化包括PWM脈沖電路、正交編碼電路(QEP)、AD模塊、定時器以及scI模塊的初始化。中斷服務程序包括AD轉換觸發中斷、定時器中斷(包括PID調速、電機速度／位置計算等)、scI接收中斷。本系統軟件結構如圖9所示。當下位機接收到來自上位機的命令和控制參數時，進入scI接收中斷服務程序，執行相應的命令以及修改當前的控制參數。當編碼脈沖采樣周期到達時，程序將計算電機當前轉速并對轉速進行PID調整以接近設定轉速。BHG-1型靈巧手抓持圓柱形物體的實驗截圖如圖10所示。
4結語
依據上述方法，本文建立了BHG-l型全驅動單自由度柔性靈巧手的控制系統，通過靈巧手夾持試驗，經調試運行，在輕載的時候可以實現高速運動和位置控制，通過PID調節器控制，本系統可以做到轉速超調很小或者無超調，且升速時間短。
由于該系統是采用TM320LF2407A為核心的數字控制系統，整個硬件電路的設計簡單且可靠，同時由于DsP的強大運算處理能力使得復雜算法得以實現。且它的高速性能為實現復雜的控制規律提供了基礎，具有體積小，性價比高的優點，是運動控制比較理想的選擇。
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