一種超聲電機驅動的一種指紋控制

一種超聲電機驅動的一種指紋控制

1探索多維手操作由于工程應用的迫切需要和機器人技術的發(fā)展，近年來，多手是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，已成為研究領域，并逐漸發(fā)展成為一個特殊的研究領域。主從控制是應用最廣泛的一種靈巧手操作方式,人手通過某種設備給出多指手的期望位姿、速度等,通過控制系統(tǒng)使多指手跟蹤這些給定值,從而在人的控制下使靈巧手完成具體作業(yè)任務。從手的理想位姿由主從手指尖位置的映射關系決定。操作者佩戴合適的主手裝置,可實現(xiàn)從手的多種動作。2系統(tǒng)的硬件組成靈巧手的控制系統(tǒng)是其能適應性地完成各種作業(yè)任務的關鍵。傳統(tǒng)的機械手(包括靈巧手)通常采用離線編程或示教的方法進行控制,靈巧手完成的是事先規(guī)定好的工作。在非結構化環(huán)境中,無法靠靈巧手完全適應性地完成各種作業(yè)任務,往往需要人機配合,由人進行必要的監(jiān)控和決策,并用人機交互手段干預靈巧手的動作。筆者構建的主從控制系統(tǒng)是由操作者、人機接口、靈巧手及其控制系統(tǒng)組成的。人機接口采集人手的運動信息,將其轉換為靈巧手的運動指令,控制器根據(jù)人機接口輸出的指令對靈巧手驅動器進行位置控制。這種控制策略使得人手能夠實時控制靈巧手的運動,大大增加了多關節(jié)靈巧手的適應性和靈活性。因此,整個控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)對主、從手各關節(jié)位置信息的采集和處理以及實現(xiàn)對超聲電機的有效控制,其硬件電路包括DSP控制器及其外圍電路,外圍電路主要由以下幾個模塊構成:電源電路、譯碼電路、傳感器信號采集電路、超聲電機運動控制電路及超聲電機調速電路?？刂葡到y(tǒng)的硬件總體設計方案如圖1所示。控制器是靈巧手控制系統(tǒng)的核心部分,它完成靈巧手全部關節(jié)的運動控制算法以及超聲電機三個控制量(啟停、正反轉、速度)的給定,實現(xiàn)靈巧手各關節(jié)協(xié)調運動,因此控制器要有較強的運算能力和較快的處理速度,以滿足控制系統(tǒng)的實時性要求,同時還要有較大的程序存儲空間以滿足靈巧手的軟件編程。主手(主操作手)和從手(靈巧手)的信號采集電路作為一種人機接口在控制系統(tǒng)中也起著很重要的作用,它將操作者給出的運動規(guī)劃傳遞給靈巧手,并將靈巧手的執(zhí)行情況反饋給操作者。超聲電機的驅動器是控制電機運轉性能的直接裝置,靈巧手中所用的超聲電機的驅動器是南京航空航天大學精密驅動研究所自主研制的,它采用推挽型逆變功放電路,能將模擬直流電壓轉換成頻率20kHz以上的兩相正弦交流信號來驅動電機轉動,電路簡單可靠。3浮點運算器模塊根據(jù)幾種控制器的比較結果,TI公司的TMS320F2812是TI公司最新推出的32位定點DSP控制器,是目前控制領域最先進的處理器之一。TMS320F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28xDSP內核,可提供浮點數(shù)學函數(shù)庫,并在定點處理器上方便地實現(xiàn)浮點運算。器件上集成多種先進的外設,為電機的運動控制提供良好的平臺。開發(fā)板SEED-DEC2812使用TMS320F2812DSP作為主處理器,主要集成的外設有:片外64K仿真用SRAM、1個16通道12位的A/D轉換器、針對電機的兩個事件管理器模塊(PWM模塊)、兩個通用異步串口UART、一個增強型的CAN總線控制器、采用CY7C68001芯片實現(xiàn)的USB2.0接口、一個四通道12位的D/A轉換器和串行EEPROM+RTC實時時鐘等,能夠應用在電機、電力等工業(yè)控制領域。筆者所設計的控制系統(tǒng)使用到TMS320F2812DSP及其片內外設,包括外部擴展接口XINTF、GPIO、EV等模塊。4關節(jié)節(jié)力器控制電路控制器的外圍電路由譯碼電路、關節(jié)信息采集電路、靈巧手關節(jié)運動控制電路組成。關節(jié)運動控制電路又包括超聲電機的起停和正反轉電路以及超聲電機調速電路。圖2為靈巧手控制系統(tǒng)電路板,可以實現(xiàn)對主、從手各關節(jié)角度信息的采集和處理以及實現(xiàn)對超聲電機的有效控制。4.1苯二甲酰胺a/d、d/a芯片片選控制對于擁有較多片外外設的控制系統(tǒng),一般需要構建一個外設選通地址譯碼電路。靈巧手控制器的外設選通地址譯碼電路由譯碼器74LS154來實現(xiàn)。將DSP的高位地址線A12～A15經過譯碼器譯碼后作為外設的片選控制,實現(xiàn)對外圍A/D、D/A芯片的地址譯碼選通。如圖3所示,引腳A、B、C、D分別接DSP的A12、A13、A14、A154根地址線,作為74LS154的譯碼輸入,輸出端Y0～Y8作為6片A/D芯片和3片D/A芯片的片選信號。F2812的外部接口有3個片選線,這3個片選線映射到5塊固定的存儲空間,當訪問外設接口的這些存儲空間時,與該存儲空間對應的片選信號變?yōu)橛行У牡碗娖?。G1、G2接片選線XZCS2ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉXΖCS2ˉ,其地址空間映射到DSP的Zone2存儲區(qū)域:0x080000～0x088FFF。各個手指分配的存儲空間如表1、2所示。4.2采樣電路設計關節(jié)信息采集電路用來采樣主手和從手關節(jié)的位置信號,并將其轉換成數(shù)字量送入DSP進行處理。由于F2812片上集成的ADC模塊采樣精度不夠,所以未予以使用,而是外擴了TI公司的4通道12位A/D轉換器ADS7842。該芯片具有功耗低、速度快、精度高等優(yōu)點,由一個12位的A/D轉換器、一個采樣/保持電路、四選一模擬多路開關、微處理器接口和三態(tài)驅動器組成,每次只能采樣一個通道。筆者所設計的信號采集電路需要采樣主操作手和靈巧手共24個關節(jié)的位置信息,需要6片ADS7842來實現(xiàn),靈巧手和主手各個關節(jié)的采樣通道地址如表3所示。通道CHA0～CHA3分別對應靈巧手拇指的掌腕關節(jié)TMⅡ、掌腕關節(jié)TMⅠ、掌指關節(jié)MP和遠指關節(jié)IP,CHE0～CHE3同樣按順序分別對應主操作手拇指的這四個關節(jié);通道CHB0～CHB3和CHF0～CHF3分別對應靈巧手和主操作手食指的掌指關節(jié)MPⅡ、掌指關節(jié)MPⅠ、近端指間關節(jié)PIP、遠端指間關節(jié)DIP;通道CHC0～CHC3和CHG0～CHG3分別對應靈巧手和主操作手中指的MPⅡ關節(jié)、MPⅠ關節(jié)、PIP關節(jié)和DIP關節(jié)。4.3cd40109芯片電路設計靈巧手關節(jié)的運動包括起停和正反轉,是通過控制超聲電機的運動來實現(xiàn)的?？刂菩盘栍蒁SP的通用I/O口提供,每個關節(jié)使用兩個GPIO口的高、低電平信號分別實現(xiàn)電機的起停和正反轉。所以整個靈巧手三個手指12個電機的起停、正反轉信號需要24個I/O口,使用到F2812DSP的通用I/O口GPIOA0～GPIOA15、GPIOB8～GPIOB15。各個關節(jié)的運動與控制信號的對應關系如表4所示。由于DSPI/O口的信號電平為3.3V,而超聲電機需要9V的驅動信號,所以要采用CD40109芯片進行電平轉換,將I/O口輸出的信號電平提升到9V后再送至驅動器。CD40109芯片的功能表如表5所示。當ENABLEA、B、C、D邏輯值為1時,就可以通過DSP的I/O口實現(xiàn)對超聲電機的起停和正反轉的控制:當I/O口輸出低電平0V時,A、B、C、D的邏輯值為0,E、F、G、H引腳輸出低電平0V;當I/O口輸出高電平3.3V時,A、B、C、D的邏輯值為1,E、F、G、H引腳就輸出高電平9V。靈巧手三個手指的控制中共用到了6片CD40109,每片CD40109可以對4個控制信號進行電平轉換,控制兩個電機。在軟件中可通過編程規(guī)定:當控制啟停的I/O口輸出高電平時電機起動,輸出低電平時電機停止;當控制正反轉的I/O口輸出高電平時電機正轉,輸出低電平時電機反轉。4.4提升電機的溫度分布根據(jù)行波型旋轉超聲電機的運動機理,其基本調速方式有調壓調速、調頻調速和調相調速,相應的控制量分別為電壓幅值、頻率和相位差。調壓調速是通過調節(jié)壓電陶瓷元件的激勵電壓,改變行波的幅值來調節(jié)轉速;調頻調速的原理是調節(jié)電機激勵信號的頻率可以控制定子的共振狀態(tài),從而實現(xiàn)超聲電機的調速;調相調速是通過改變電機兩相工作電壓之間的相位差,進而改變定子表面質點的橢圓運動軌跡來進行調速。靈巧手的伺服控制系統(tǒng)需要對超聲電機的速度進行控制,較適合的速度控制方式是頻率調節(jié)。因此在研究中筆者采用調頻調速法,即通過改變驅動器上壓控振蕩器輸入端的電壓,進而改變其輸出的PWM波的頻率,從而實現(xiàn)超聲電機的速度控制。給定超聲電機期望的速度值后,DSP先根據(jù)超聲電機的調頻電壓-速度關系曲線計算出對應的調頻電壓值,D/A芯片再將該數(shù)字量轉換為模擬電壓加到驅動器上,即可實現(xiàn)調速。5系統(tǒng)的實時性和較快的處理速度本多指靈巧手的