1 硬件系統(tǒng)
現(xiàn)有的多指擬人機械手,存在體積龐大、機構(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(ESMAA)作為指節(jié)。HT構(gòu)造帶手掌多自由度擬人機械手。
驅(qū)動與控制系統(tǒng)包括DSP最小系統(tǒng)、驅(qū)動模塊和檢測模塊。DSP最小系統(tǒng)一核心CPU+時鐘和復(fù)位電路+外圍存儲器擴展;驅(qū)動模塊=波形發(fā)生+信號放大+功率驅(qū)動;傳感器模塊一測量電橋+信號放大+信號濾波?驁D見圖1。
圖1驅(qū)動與控制系統(tǒng)框圖
1.1 驅(qū)動模塊
驅(qū)動模塊見圖2,由DSP事件管理器輸出占空比可調(diào)的方波信號。由于該方波信號高電平范圍在0~5V,為保證MOSFET可靠開通和關(guān)斷,需要對該信號進(jìn)行放大,因此采用電平轉(zhuǎn)換芯片CD40109。方波信號經(jīng)過放大后由集成芯片TPS2812驅(qū)動MOSFET,進(jìn)而控制流經(jīng)SMA絲的電流脈沖,對SMA絲進(jìn)行可控驅(qū)動目的。
圖2驅(qū)動模塊
R3和C1支路構(gòu)成防止MOSFET管關(guān)斷時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)一個小電阻R1,對開關(guān)瞬間引起的振蕩起到阻尼作用。
1.2 檢測模塊
基于應(yīng)變反饋的曲率檢測模塊由電橋電路、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rs與Rr。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)。電機運行方向是確定的,可按圖示方法配置兩片應(yīng)變片G1和G2。當(dāng)電機運行時,G1受壓,而G2受拉,因G1和G2對稱粘貼,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
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:初始化時鐘寄存器,與通用定時器相關(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:通過定時器T2中斷采集應(yīng)變片信息及實現(xiàn)控制算法;通過T1和T3中斷產(chǎn)生PWM輸出,產(chǎn)生對ESMAA加熱電流進(jìn)行控制的脈沖;通過外部中斷實現(xiàn)鍵盤輸入,便于人機交換,完成各ESMAA單元電機的啟停及占空比增減等功能。機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,在定時器連續(xù)增計數(shù)模式下,使能定時器的比較操作,通過設(shè)置定時器周期中斷,定時周期寄存器就可以產(chǎn)生連續(xù)的周期信號,再通過改變定時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。通過定時器Tl與T3的周期中斷,產(chǎn)生6路PWM波形。在定時器周期中斷服務(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,將定時器T1的周期寄存器T1PR設(shè)置為F000h。定時器T3的周期寄存,器T3PR設(shè)置為F024h。T1產(chǎn)生的PWM信號的頻率等于40 kHz, T3產(chǎn)生的剛信號的頻率接近40 kHz,使得在定時器T1和T3產(chǎn)生的PWM頻率在滿足設(shè)計要求前提下,不會同時產(chǎn)生中斷,導(dǎo)致沖突。
由于定時器T1周期中斷和定時器T3周期中斷共用了內(nèi)核的INT2第3級中斷。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器T1/T3哪一個產(chǎn)生了中斷(即確定定時器中斷號),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,要對這些寄存器變量進(jìn)行堆棧保護(hù);在ISR完成時。要對這些寄存器變量進(jìn)行堆;謴(fù)。否則,2路通道的PWM輸出會出現(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 實驗結(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)Kp=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,輸出最大加熱電流占空比,電機快速達(dá)到設(shè)定曲率,上升時間為0.55 s。
圖7階躍響應(yīng)買驗
機械手由六臺單元樣機構(gòu)成,考慮到系統(tǒng)對響應(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,對六指節(jié)同時控制,實現(xiàn)機械手協(xié)調(diào)運行與精確定位。試驗表明,機械手(限于篇幅,擬人手形圖略)基本能夠按照預(yù)期軌跡運動,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)在同一時刻到達(dá)預(yù)定位置等等,尚須通過進(jìn)一步的理論與實驗研究加以改進(jìn)。
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