论文总字数：18067字

摘 要

随着信息时代不断的发展进步，机器人技术作为高新科技的重要领域已在世界引起广泛的关注与应用，其中，机器人灵巧手的研究更是21世纪世界范围内各公司、高校的研究热门。而控制系统做为调控灵巧手机械结构完成操作任务的“大脑”，是整个灵巧手研究领域的核心所在。通过对比分析已研制机械手的研究工作，本文针对设计了三指灵巧手的控制系统。主要包括：控制系统硬件部分设计和控制系统软件部分设计。

关键词：灵巧手 CAN 单片机。

Design on the Control System of Robot Three-finger Dextrous Hand

ABSTRACT

Involuntary incoming and outgoing development progress, machine and human technology activity high and new science and technology important areas already existed in the world. Comprehensive control system, control, control, and skill machine completion operation task “large scale”, corrective individual skill, research, core area of research. Passing comparison analysis, researched machines, manual research work, full text design completed, three fingers, skillful control system. Main inclusive: Control system rigid part design.

Key Words： multi-fingered hand; CAN; Single-Chip Microcomputer

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 5

1.1课题研究的背景和意义 5

1.2国内外研究概况 6

第二章 总体方案设计 9

2.1引言 9

2.2灵巧手机械机构研究 9

2.2.1确定三指灵巧手的工作可行性 9

2.2.2手指关节数的确定 9

2.2.3确定所设计的灵巧手带有手掌 10

2.2.4驱动方式的选择 10

2.2.5传动方式的选择 11

2.2.6驱动电机的选择 11

2.3控制系统硬件设计总体方案 11

2.4控制系统软件设计总体方案 12

第三章 控制硬件部分设计 14

3.1直流电机控制电路设计 14

3.1.1复位电路 14

3.1.2电机转速检测 14

3.1.3电机驱动模块 14

3.2 CAN模块节点硬件设计 15

3.2.1 PC机与单片机间的通信方式 16

3.2.2 PC机与CAN总线的中间适配器 17

3.3 电源模块 18

第四章 控制系统软件 19

4.1电机控制软件系统设计 19

4.1.1各关节电机控制程序 19

4.1.2 PID控制 20

4.2控制系统上位机软件设计 21

4.2.1 CAN控制器初始化 21

4.2.2 CAN接收部分 22

4.2.3 CAN发送部分 23

4.2.4 USB接收部分 25

4.2.5 USB 发送部分 25

第五章 经济性与环保性分析 27

5.1经济性分析 27

5.2环保性分析 27

全文总结 28

参考文献 29

致谢 31

附 录 32

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

近年来，机器人技术蒸蒸日上，其跃迁式的高速发展对国家的工业发展、国防建设和我们的平常生活等领域的影响越来越大。 然而，随着其在不同领域越来越广的应用，执行任务的机器人所被要求的操作复杂性和精度越来越高。 普通机器人和与之匹配的各种普通的末端夹紧装置变得难以满足要求越来越高的作业要求。 在这种情况下，灵巧手的改进与升级已成为机器人领域的流行研究方向之一。

具有多个自由度和多种感知能力的机器人灵巧手可视为人类活动四肢的一种有效延伸。在一定范围和幅度内，它可以对目标对象进行灵巧精准地抓握，用它代替普通的终端操作器可以极大地改善机器人的工作能力。

目前，在相关领域，已经普遍实现了灵巧手多指、多自由度和多感知（角度，速度）。 灵巧手已经开始具有人手的外观，并且可以实现人手的某些抓握操作。 在未来，灵巧手的结构改进、传感器系统、运动规划等是对其研究和有望取得技术突破的主要方向。

能够完成复杂而细致的作业任务的机器人多指灵巧手具有很广阔的发展潜力。就像在航空领域，灵巧手已将要大展身手，西方国家正试图使用太空机器人来进行空间站项目的处理和组装，以及一些危险工作如空间站维护以及宇宙资源的勘采。Robonaut手就是一个很典型的在国际空间站上用于舱外操作的设备，由美国研制的；除了航空航天领域外，也可以使用机械手进行战场排雷、核电站检测等。而在我们的生活中，医院可以为特殊的患者配备灵巧手进行辅助看护，残疾人也可以借助灵巧手进行正常的生活。

虽然我国对机器人的研究开始较晚，但自1980年代以来，我国的机器人研究得到了鼎力支持，而机器人手的相关研究也在稳步前进中。

为此，本申请项目提出“三指灵巧手控制系统设计”，根据人体运动控制系统结构，设计具有多自由度的三指灵巧手的控制系统，包括各关节电机控制电路、控制软件及全局控制电路和软件。

1.2国内外研究概况

根据资料记载，日本发明的Okada机械灵巧手是历史上第一个正规的机器人灵巧手，其诞生于20世纪70年代。一共具有三根手指的Okada手爪有着重量轻，结构简单，灵巧性高的优点。其一共有11个自由度（拇指3个，其他手指各4个），设计具有手掌。选择了电机驱动方式来进行各个关节的驱动, 在传动方式选择上使用了钢丝和滑轮组成的传动机构。然而，由于其手指结构的限制,在其工作应用的抓握力方面会受到一定约束。

20世纪80年代，经过美国斯坦福大学研究人员的数年研究，采用模块化设计的Stanford/JPL机械灵巧手问世，在当时引起了全世界研究学者的关注。此灵巧手的体积和重量相较于Okada手都有明显的增大，一共有3个手指，9个自由度（每根手指3个）。每根手指有三个关节，在运动范围大小方面，前两个关节的可以达到90°, 而最后一个关节有135°。选择了电机驱动方式来进行各个关节的驱动，一共有12个当时性能最好的直流伺服电机,传动方式选择了腱传动,使得结构变得相对简单，传动控制方便。其手指关节和滑轮部分的制造材料一同选择了性能很好的钢衬套铝管。

在那个科技不断蓬勃发展的年代，产品更新换代更是常事。在许多人还沉浸在Stanford/JPL手带来的惊喜中时，分别有16和12个自由度的DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ机器人手相继亮相。这两款由德国宇航中心（简称DLR）设计的灵巧手攀上了当时机器人手研究领域的顶峰。DLR-Ⅰ机械手有4个完全一样的手指，重1.8kg，工作力最高达11N，多个安装在不同位置的直流电机作为关节的驱动元件。除此之外，还有多种类、多数量的传感器分布在手指表面进行信息采集。DLR-Ⅱ灵巧手同样由4根手指组成，一共12个自由度（每根手指三个。为了协调众多传感器信号的传输及提高其稳定性，DLR-Ⅱ灵巧手在通讯结构上设计了一个完全集成的串行通信系统。每个手指在其基本单元中持有一个通信控制器，该控制器负责收集和分发所有相关的信息，并对信号进行合理的处理。

请支付后下载全文，论文总字数：18067字