基于PIC單片機(jī)的機(jī)器人靈巧手的控制系統(tǒng)

郭黎濱 侯玉玲 孟慶鑫 王立權(quán) 李　平　　摘　要：<?xml:namespace prefix = o />通過對(duì)pic16c77單片機(jī)特點(diǎn)的分析，給出了機(jī)器人靈巧手控制系統(tǒng)的硬件框圖，針對(duì)幾個(gè)重要的模塊做了詳細(xì)的介紹，特別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和pwm信號(hào)的產(chǎn)生原理。給出了一個(gè)控制算法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)說明了該設(shè)計(jì)的可靠性。
　　關(guān)鍵詞：多指靈巧手；pic；pwm；單片機(jī) 　　當(dāng)代機(jī)器人研究的領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)中走出來，向非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主 作業(yè)方面發(fā)展。而機(jī)器人靈巧手相當(dāng)于安裝在機(jī)器人臂上的可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作運(yùn)動(dòng)的一組機(jī)器人，是真正擬人化并能實(shí)現(xiàn)靈活操作的機(jī)器人手。他對(duì)于提高空間機(jī)器人的工作能力具有重要意義，并且將來還可以嘗試將機(jī)器人靈巧手用于戰(zhàn)場(chǎng)探雷和排雷、核工業(yè)設(shè)備的檢測(cè)和修理等危險(xiǎn)作業(yè)［1］。在機(jī)器人靈巧手控制方面的研究在國內(nèi)只有少數(shù)的科研機(jī)構(gòu) 進(jìn)行，而且成本較高。在本文尋求采用一種較為合適的單片機(jī)來作為實(shí)現(xiàn)控制的核心，基于pic單片機(jī)的強(qiáng)大功能所以采用pic系列單片機(jī)。 1pic單片機(jī)特點(diǎn)
　　pic系列單片機(jī)是美國microchip公司出品的8 b微處理器，但是他的速度與功能卻比現(xiàn)在 一些普通8 b的51單片機(jī)強(qiáng)很多，因?yàn)樗捎昧藃isc結(jié)構(gòu)，有別于過去的一般cisc結(jié)構(gòu)，r isc結(jié)構(gòu)采用harward雙總線結(jié)構(gòu)，將地址總線與數(shù)據(jù)總線分開，因此數(shù)據(jù)與地址可以同時(shí)傳輸，提高了運(yùn)算速度［2］。pic單片機(jī)的體積小，功耗低，而且內(nèi)部集成了多種外圍電路，使設(shè)計(jì)更加方便，無需在單片機(jī)的設(shè)計(jì)中再添加一些外圍電路,在控制系統(tǒng)中這一點(diǎn)很重要。本文中采用的pic16c77單片機(jī)，他有8 k的程序存貯器；368 b ram；2個(gè)pwm口；內(nèi)部集成了一個(gè)5通道的8 b a/d，具有掉電復(fù)位功能，這些特點(diǎn)使得硬件的設(shè)計(jì)非常方便。在機(jī)器人靈巧手的控制中對(duì)于微小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要pwm信號(hào)來驅(qū)動(dòng)，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是利用晶體管組成的電路來實(shí)現(xiàn)的，普通的51系列單片機(jī)中必須利用定時(shí)器來產(chǎn)生，而在pic單片機(jī)中內(nèi)部包含了2個(gè)pwm信號(hào)輸出端為設(shè)計(jì)提供了方便。 2控制系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)
　　靈巧手在抓取和操作前，要進(jìn)行被抓物接觸點(diǎn)位置確定、抓取構(gòu)形分析判斷、三指手正逆 解求解、軌跡規(guī)劃等復(fù)雜運(yùn)算。這需要很長(zhǎng)時(shí)間。在抓取和操作過程中，要進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、關(guān)節(jié)位置檢測(cè)控制、指端力覺檢測(cè)等，其中有的控制必須同時(shí)進(jìn)行，因此，本文所設(shè)計(jì)的靈巧手采用圖1所示的按層次劃分的分級(jí)式控制系統(tǒng)。上位機(jī)為pc機(jī)主要從事主控制作用,進(jìn)行抓取軌跡規(guī)劃,還有對(duì)下位機(jī)發(fā)出操作指令。下位機(jī)為3個(gè)控制單元與上位機(jī)進(jìn)行多機(jī)通訊,接收指令并對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行pid調(diào)節(jié),控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)單片機(jī)控制一個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)。采用該控制體系的優(yōu)點(diǎn)是控制方案整體思路比較清晰,控制靈活,達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
2.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　　對(duì)于單片機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中的主要作用是接收上位機(jī)的指令，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)反饋的信號(hào)進(jìn)行pid調(diào)節(jié)將結(jié)果送往上位機(jī)，并將采集來的信號(hào)送往上位機(jī)準(zhǔn)備下一次指令的接收。