可感受握緊力的機械手指設計

可感受握緊力的機械手指設計機械手指的功能介紹本項目所要設計的機械手指具有感受握緊力的功能，能夠根據(jù)所夾持的物體的具體表面硬度來確定所施加于被夾持對象的夾緊力，或者根據(jù)事先給機械手所設定的夾緊力范圍來確定夾緊力。這樣，機械手就能夠做到既夾緊工件，又能避免因夾緊力過大而引起被夾緊物體表面的破壞?？筛惺芪站o力的機械手指控制系統(tǒng)的總體構成機械手指的主要構成有機械夾持裝置、動作驅動電路、輸入和控制界面、握緊力感受和控制裝置（包括握緊力的感受、信號放大、A/D轉換等）、握緊力分析處理電路。各個部分的相互關系如下：機械手指的具體工作原理和工作過程圖2機械手機構件圖機械手的機構簡圖如圖2所示，整個機械手由六個桿件組成，其中桿件1、2和桿件3、4成對稱分布，桿件六與支座固定，桿件1和桿件5能夠在鉸接處繞桿件6旋轉。桿件3能夠在固定支座上左右運動。對機械手指的控制方式采用閉環(huán)控制方式，并根據(jù)夾緊力判斷是否需要增大或減小夾緊力。具體過程是：當控制系統(tǒng)發(fā)出握緊控制命令后，電機驅動軸在電機的作用下向左運動，機械手指會逐漸的握緊被夾物體。當機械手指握緊被夾物體的時候，機械手指會發(fā)生機械變形。這樣，安裝于手指表面的應變片會跟著發(fā)生變形，引起應變片本身電阻的變化。通過相應的電路，將應變片的應變量轉變成與之相對應的電壓信號，然后將電壓信號進行放大、濾波以及A/D轉換后送入單片機控制電路進行分析處理，如果分析的結果表明機械手指的變形量還沒有達到能夠引起對被夾物體表面的破壞，則機械手指能夠再進一步增大夾緊力；如果分析結果表明機械手指所達到的應變量已經(jīng)超過了允許的最大變形量，說明當前機械手指的夾緊力已經(jīng)到達最大允許值，如果夾緊力再增大，將會對被夾物體表面產(chǎn)生破壞。應及時減小機械手指的夾緊力，使夾緊力在允許的范圍之內。機械手指的控制系統(tǒng)是基于單片機技術的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括控制輸入電路、控制輸出電路、狀態(tài)顯示電路、握緊力傳感和反饋電路、以及通訊接口電路等等部分。各部分電路由單片機統(tǒng)一控制，協(xié)調配合。單片機控制電路總體構成如下圖所示：1、單片機I/O口的分配本機械手控制系統(tǒng)采用AT89S52單片機控制，P0口作為輸入、輸出數(shù)據(jù)復用口，用于輸出機械手控制信號和讀入機械手指應力反饋數(shù)據(jù)信號，P2口用做地址輸出口；鍵盤響應采用中斷響應方式，當按鍵被按下時，鍵盤處理中斷信號從INT0進入，鍵盤值從P1口讀入，鍵盤處理子程序根據(jù)不同的鍵盤值做不同的動作。2、 鍵盤輸入電路設計

74LS13_And_NotVCC74LS13T14VCC1A1Y2YNCNCPl774LS13_And_NotVCC74LS13T14VCC1A1Y2YNCNCPl71clD2A2B2C2DB誓*kTTTzj-DNG1012137鍵盤輸入電路控制系統(tǒng)的輸入鍵盤采用行列式鍵盤結構，具體連接方式如上圖所示。為了節(jié)省單片機CPU的運算時間，對鍵盤案件動作的響應采用中斷響應方式，鍵盤中斷從外部中斷0進入。在沒有鍵盤按下的時候，P1口的值為00001111B,與非門74LS13的說輸出為高電平。當某一個鍵盤被按下的時候，與非門74LS13的說輸出為低電平，中斷信號有效，并從外部中斷0入口進入單片機，CPU響應外部中斷，并執(zhí)行相應的中斷處理程序，將此時的P1口數(shù)據(jù)讀入，并根據(jù)所讀到的數(shù)據(jù)對鍵盤輸入進行處理。鍵盤輸入電路總共有16個按鍵，數(shù)字鍵0~9，控制鍵有握緊鍵、松開鍵、暫停鍵、確定鍵、清零鍵等，并留兩個鍵作為備用按鈕，以便增加功能實用。每一個按鍵都對應有一個鍵值碼，不同的按鍵被按下的時候，中斷處理程序從P1口讀到的鍵盤數(shù)據(jù)是不一樣的。根據(jù)所讀到的鍵值不同，單片機執(zhí)行不同的處理程序。每一次讀完一次P1口，都要重新向P1口重新寫入00001111B，回復P1口的初始狀態(tài)，以便下次再按下鍵盤的時候能及時響應鍵盤中斷處理程序。b、鍵盤布置圖和鍵值表根據(jù)一般習慣，鍵盤按鈕采用如下所示的布局方式：鍵盤布置圖鍵盤的鍵值表為：鍵值表緊開定用握松確備1470ab己ooOT.IXT.—xT.IXT..XT..AT..AooOf緊開定用握松確備1470ab己ooOT.IXT.—xT.IXT..XT..AT..AooOfOXO3696oooOT.lkT.—.xT.—.xT.I.AT..XT..XT..Aoooo2580ooooT.—.xT.—.xT.I.AT.lkT..XT..XT..Aoooo147cooooT.ixT.ixT.i.xT.ixT..iT..XT..Aoooo3、 顯示電路設計P0,01P0.12P0.23P0.34P0.45P0.56P0.67P0.78PaiDianZu_8PDZ1EA/VPPAT89S52Pll2P123P134P145PIS6P167P178E1ESET9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717ZTAL218藝TALI1920PIOiP1°gggPl.lPU.OPl.2P0.1Pl.3P0.2Pl.4P0.3Pl.5P0.4PLSPCI.5Pl.7P0.6RST/VPDP0.7RXD.iP3.0EA.'VppT2CD/P3.1ALE.'PROMINTO/P3.2PSENINT1/P3.3P2.7TO/P3.4P2.6T1/P3.5P2.5P2.4RD/P3.7P2.3XTAL2P2.2STAL1P2.1VSSP2.0AT_89S52741LS041741LS04741LS042741LS04E：_EA.'VPP一 Ivcc5.IE：￡￥393837363534333231302928272625VCC40——c--O-1-2-3-4-5-6-7cYYYYYYYYVS13123-A-B-CSTSTrrA1VCCA2Y1A3Y2A4Y3A5Y4A6Y5GND|Y6A1VCCA2Y1A3Y2A4Y3A5Y4A6Y5GND|Y67CC14TYYZ~YY>-YY>'■?￥>-TO~YY>-12~~YY>-74LS373\.P0413\pri514\P0&17\P071810x--7-rn--HI-4321T-T-T-T-T-T-T-T25691111269QQ-QQnW_nw-QQ12345678occVDGNNE761o451o?7-3工DDDDDDDDL12345678718-.pi...-.pi.._pi、._pi..、_pi..._p(、■.!PT..1TTENLE373VCC1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7Dg8DSQGND\PU41J\P0514\P06r7\pn718ENLE373VCCIDIQ2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7Q8D8QGND74LS3733733ENVCCLE3737CC20TDDDDDDDD1201-45678D

GN74LS373QQQQQDr-_Q-rfy1201-4567s5FEF9F12F15F16F19F顯示電路控制系統(tǒng)的顯示電路如上圖所示，能夠顯示四位的數(shù)碼管，主要用來顯示鍵盤輸入時所設定的握緊力初值以及顯示和監(jiān)控握緊過程中握緊力、應變值的動態(tài)變化過程（增的和減少）。為節(jié)約系統(tǒng)時間，顯示電路沒有采用循環(huán)掃描顯示方式，而是在每一位數(shù)碼管前段都接入了一片74LS737，用來所存待顯示八位二進制數(shù)據(jù)。每一片74LS737的數(shù)據(jù)輸入端連接到單片機的P0口，74LS737的片選引腳接到譯碼電路的輸出，分別占用了地址P2=0，1，2，3.顯示電路能夠分別顯示握緊力初值、握緊力和應變值，究竟是顯示那一個量，可以通過鍵盤控制電路進行循環(huán)切換。4、 驅動電路設計YY41TTP003P014P027P038P0413P0514P0617P071810en7LEYY41TTP003P014P027P038P0413P0514P0617P071810en7LE373VCCIDIQ2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7QSDSQGND37342074LS373116I?Jt72/Jt64/Jt56/Jt48/.Jt311/Jt213/Jtl15/JtO17/101Jt77CCTENAVCCAlY1A2Y2A3Y3A4Y4ENEA5Y5A6Y6A7Y7ASYSGND74LS244474LS244925318161412VCC20T驅動電路控制系統(tǒng)的驅動電路主要用來完成對步進電機的驅動控制，從而實現(xiàn)機械手的握緊和松開動作的控制。本設計所使用的步進電機是兩相四線式的微型步進電機，對電機的驅動采用的是兩相十六拍控制方式?？刂茣r序直接從P0口輸出，輸出地址是P2=4。為了提高對步進電機的驅動能力，驅動電路采用74LS244芯片來驅動控制，以提高步進電機的輸出扭矩。5、握緊力反饋電路設計

ADCOSO1增益1增益sADCOSO1增益1增益sIN-棄路IN+vccGNDOUTLM336cTVDDRDARtWRbBOCPcBlINTRoB2IN+B3IN-B4GNDAB51/2VrefB6GNDEB71918PO.LI17PLl.l16P0.215P0.314P0.413P0.512P0.611P0.7握緊力反饋電路握緊力反饋電路主要是用來監(jiān)控機械手的工作狀態(tài)，并把握緊力的實時變化反饋回單片機控制系統(tǒng)，以便系統(tǒng)能夠實時控制機械手指的握緊力，從而實現(xiàn)對機械手握緊力的定量控制。握緊力反饋具體電路如上圖所示。反饋電路由前端橋式電路、集成運算放大電路、模擬\數(shù)字轉換芯片以及必要的電容、電阻等構成。R_YingBian是貼在機械手指發(fā)生變形的外表面上，用來感受機械手指握緊物體時所發(fā)上與手指上的應變。R_BuChang是貼在機械手指外表面上不發(fā)生形變的表面上，事做補償用，應變片自身的電阻為120歐姆。R_J1和R_J2是精密電阻，阻值跟應變片的組織一樣，也都為120歐姆。當機械手指不受力的時候，其上個表面不會發(fā)生形變，因而這個時侯橋式電路a、b兩點的點位相等，a、b之間的電壓差為零，經(jīng)放大和A/D轉換后讀到單片機里頭的數(shù)據(jù)為0；當機械手指受力的時候，其上個表面會發(fā)生形變，應變片R_YingBian會趕著機械手的金屬表面一起變形，因而這個時侯橋式電路a、b兩點的點位不相等，a、b之間的電壓差不為零，經(jīng)放大和A/D轉換后讀到單片機里頭的數(shù)據(jù)不為0，將這一數(shù)據(jù)進行一定的處理就能得到此時機械手所施加于被夾物體表面的握緊力；通過將所讀到的應變數(shù)據(jù)與事先預設的數(shù)據(jù)進行對比，當所讀到的應變數(shù)據(jù)小于預設數(shù)據(jù)是繼續(xù)握緊機械手指，當所讀到的應變數(shù)據(jù)大于預設數(shù)據(jù)是稍微松開機械手指，不斷地重復對比過程，就能保證機械手當前的握緊力始終與預設值相等或相近，從而實現(xiàn)了握緊力的定量控制。6、電阻應變片粘貼位置的選擇應變片粘貼的位置對機械手指應變值的感受精度有著非常大的影響。理論上，電阻應變片無論粘貼在哪個位置（只要是發(fā)生形變的表面），都能算出該處在已知握緊力下的變形量。但是，為了計算方便和提高應變片感受機械手指應變值的準確度，應變片的粘貼位置應選擇合適。進過初步分析，應變片的暗轉位置選擇在如圖所示的位置。應變安裝位置關于應變值的計算如下：假設機械手指的握緊力為F，