1 硬件系統(tǒng)

    現(xiàn)有的多指擬人機(jī)械手，存在體積龐大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、缺乏柔性等缺陷。直接將內(nèi)嵌式SMA電機(jī)(ESMAA)作為指節(jié)。HT構(gòu)造帶手掌多自由度擬人機(jī)械手。

    驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)包括DSP最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)模塊和檢測(cè)模塊。DSP最小系統(tǒng)一核心CPU+時(shí)鐘和復(fù)位電路+外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展；驅(qū)動(dòng)模塊=波形發(fā)生+信號(hào)放大+功率驅(qū)動(dòng)；傳感器模塊一測(cè)量電橋+信號(hào)放大+信號(hào)濾波�？驁D見圖1。

圖1驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)框圖 

1.1 驅(qū)動(dòng)模塊

    驅(qū)動(dòng)模塊見圖2，由DSP事件管理器輸出占空比可調(diào)的方波信號(hào)。由于該方波信號(hào)高電平范圍在0～5V，為保證MOSFET可靠開通和關(guān)斷，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大，因此采用電平轉(zhuǎn)換芯片CD40109。方波信號(hào)經(jīng)過放大后由集成芯片TPS2812驅(qū)動(dòng)MOSFET，進(jìn)而控制流經(jīng)SMA絲的電流脈沖，對(duì)SMA絲進(jìn)行可控驅(qū)動(dòng)目的。

圖2驅(qū)動(dòng)模塊

   R₃和C₁支路構(gòu)成防止MOSFET管關(guān)斷時(shí)承受過電壓的吸收電路；在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管D，防止過電壓擊穿柵源問的氧化層；在柵極串聯(lián)一個(gè)小電阻R₁，對(duì)開關(guān)瞬間引起的振蕩起到阻尼作用。

1.2 檢測(cè)模塊

    基于應(yīng)變反饋的曲率檢測(cè)模塊由電橋電路、放大電路和濾波電路組成。

    以平面彎曲ESMAA曲率傳感為例(圖3)，兩根相同半徑的SMA絲平行彈性棒軸線嵌入，絲與棒的半徑分別為r_s與R_r。其中，w₁為回復(fù)絲，與棒軸線重合，記憶為“U”形。w₂為恢復(fù)絲，偏心矩為d₁，記憶為直線態(tài)。電機(jī)運(yùn)行方向是確定的，可按圖示方法配置兩片應(yīng)變片G₁和G₂。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，G₁受壓，而G₂受拉，因G₁和G₂對(duì)稱粘貼，故二者電阻變化量相等，極性相反，由1／2電橋得到輸出電壓，經(jīng)放大濾波后送人DSP，通過軟件處理輸出一定占空比的PWM波。電橋電路如圖4所示。

圖3平面彎曲內(nèi)嵌式SMA電機(jī)

圖4電橋電路 

2 軟件系統(tǒng)

    軟件流程圖見圖5。初始化工作包括：初始化時(shí)鐘寄存器，與通用定時(shí)器相關(guān)的寄存器，A／D轉(zhuǎn)換模塊，串口通信模塊，以及關(guān)閉看門狗等。

圖5主程序流程圖

    中斷事件包括：通過定時(shí)器T2中斷采集應(yīng)變片信息及實(shí)現(xiàn)控制算法；通過T1和T3中斷產(chǎn)生PWM輸出，產(chǎn)生對(duì)ESMAA加熱電流進(jìn)行控制的脈沖；通過外部中斷實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入，便于人機(jī)交換，完成各ESMAA單元電機(jī)的啟停及占空比增減等功能。機(jī)械手位置傳感器的電壓輸入通過放大、濾波后接人F2407片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換通道。在T2中斷發(fā)生后，A／D轉(zhuǎn)換模塊分別采集擬人手各指節(jié)的位置信息，采用分段多模式PI控制算法調(diào)整輸出加熱脈沖占空比。

    TMS320F2407芯片工作時(shí)，在定時(shí)器連續(xù)增計(jì)數(shù)模式下，使能定時(shí)器的比較操作，通過設(shè)置定時(shí)器周期中斷，定時(shí)周期寄存器就可以產(chǎn)生連續(xù)的周期信號(hào)，再通過改變定時(shí)比較寄存器的值控制脈寬。即可產(chǎn)生任意調(diào)制的PWM波形。通過定時(shí)器Tl與T3的周期中斷，產(chǎn)生6路PWM波形。在定時(shí)器周期中斷服務(wù)子程序內(nèi)，改變比較寄存器的值，從而改變PWM波形的占空比。在相關(guān)硬件配置條件下，初始化DSP的CPUCLK為10MHz，將定時(shí)器T1的周期寄存器T1PR設(shè)置為F000h。定時(shí)器T3的周期寄存，器T3PR設(shè)置為F024h。T1產(chǎn)生的PWM信號(hào)的頻率等于40 kHz， T3產(chǎn)生的剛信號(hào)的頻率接近40 kHz，使得在定時(shí)器T1和T3產(chǎn)生的PWM頻率在滿足設(shè)計(jì)要求前提下，不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生中斷，導(dǎo)致沖突。

    由于定時(shí)器T1周期中斷和定時(shí)器T3周期中斷共用了內(nèi)核的INT2第3級(jí)中斷。因此，在INT3中斷服務(wù)子程序中，先根據(jù)中斷向量偏移地址來判斷究竟是定時(shí)器T1／T3哪一個(gè)產(chǎn)生了中斷(即確定定時(shí)器中斷號(hào))，再轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序。并且。須編寫中斷保護(hù)和恢復(fù)代碼，在進(jìn)入ISR時(shí)，要對(duì)這些寄存器變量進(jìn)行堆棧保護(hù)；在ISR完成時(shí)。要對(duì)這些寄存器變量進(jìn)行堆�；謴�(fù)。否則，2路通道的PWM輸出會(huì)出現(xiàn)紊亂的情況。這部分的中斷程序流程圖如圖6所示。

圖6多路PwM輸出程序流程圖 

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    圖7為單指節(jié)的分段多模式PI階躍響應(yīng)結(jié)果。參數(shù)勾：誤差閾值ξ=2 m^-1，比例系數(shù)K_p=0.05，積分系數(shù)K₁=0.006，目標(biāo)曲率為18 m^-1，Umax為0.8，采樣周期T=15.4 ms。超調(diào)量<2.0％，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5 m^-1。曲率誤差大于ξ時(shí)，輸出最大加熱電流占空比，電機(jī)快速達(dá)到設(shè)定曲率，上升時(shí)間為0.55 s。

圖7階躍響應(yīng)買驗(yàn)

    機(jī)械手由六臺(tái)單元樣機(jī)構(gòu)成，考慮到系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、定位精度有較高要求，經(jīng)操作與軌跡規(guī)劃后，對(duì)六指節(jié)同時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)行與精確定位。試驗(yàn)表明，機(jī)械手(限于篇幅，擬人手形圖略)基本能夠按照預(yù)期軌跡運(yùn)動(dòng)，但由于模型構(gòu)建與制作工藝上存在誤差，表現(xiàn)出指尖不完全到位或超過預(yù)定位置。且不能嚴(yán)格保證各指節(jié)在同一時(shí)刻到達(dá)預(yù)定位置等等，尚須通過進(jìn)一步的理論與實(shí)驗(yàn)研究加以改進(jìn)。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：基于內(nèi)嵌式SMA電機(jī)的多指手驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

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