當代機器人研究的領域已經從(cong) 結構環境下的定點作業(ye) 中走出來，向非結構環境下的自主作業(ye) 方麵發展。而機器人靈巧手相當於(yu) 安裝在機器人臂上的可獨立實現精細操作運動的一組機器人，是真正擬人化並能實現靈活操作的機器人手。他對於(yu) 提高空間機器人的工作能力具有重要意義(yi) ，並且將來還可以嚐試將機器人靈巧手用於(yu) 戰場探雷和排雷、核工業(ye) 設備的檢測和修理等危險作業(ye) ［1］。在機器人靈巧手控製方麵的研究在國內(nei) 隻有少數的科研機構 進行，而且成本較高。在本文尋求采用一種較為(wei) 合適的單片機來作為(wei) 實現控製的核心，基於(yu) PIC單片機的強大功能所以采用PIC係列單片機。

1PIC單片機特點

PIC 係列單片機是美國Microchip公司出品的8 b微處理器，但是他的速度與(yu) 功能卻比現在 一些普通8 b的51單片機強很多，因為(wei) 他采用了RISC結構，有別於(yu) 過去的一般CISC結構，R ISC結構采用Harward雙總線結構，將地址總線與(yu) 數據總線分開，因此數據與(yu) 地址可以同時傳(chuan) 輸，提高了運算速度［2］。 PIC單片機的體(ti) 積小，功耗低，而且內(nei) 部集成了多種外圍電路，使設計更加方便，無需在單片機的設計中再添加一些外圍電路,在控製係統中這一點很重要。本文中采用的PIC16C77單片機，他有8 k的程序存貯器；368 B RAM；2個(ge) PWM口；內(nei) 部集成了一個(ge) 5通道的8 b A/D，具有掉電複位功能，這些特點使得硬件的設計非常方便。在機器人靈巧手的控製中對於(yu) 微小電機的驅動需要PWM信號來驅動，在傳(chuan) 統的設計中是利用晶體(ti) 管組成的電路來實現的，普通的51係列單片機中必須利用定時器來產(chan) 生，而在PIC單片機中內(nei) 部包含了2個(ge) PWM信號輸出端為(wei) 設計提供了方便。

2控製係統的整體(ti) 硬件設計

靈巧手在抓取和操作前，要進行被抓物接觸點位置確定、抓取構形分析判斷、三指手正逆解求解、軌跡規劃等複雜運算。這需要很長時間。在抓取和操作過程中，要進行電機轉速控製、關(guan) 節位置檢測控製、指端力覺檢測等，其中有的控製必須同時進行，因此，本文所設計的靈巧手采用圖1所示的按層次劃分的分級式控製係統。上位機為(wei) PC機主要從(cong) 事主控製作用,進行抓取軌跡規劃,還有對下位機發出操作指令。下位機為(wei) 3個(ge) 控製單元與(yu) 上位機進行多機通訊,接收指令並對反饋信號進行PID調節,控製電機轉動。每個(ge) 單片機控製一個(ge) 手指的運動。采用該控製體(ti) 係的優(you) 點是控製方案整體(ti) 思路比較清晰,控製靈活,達到了設計的要求。

2.1下位機軟件設計

對於(yu) 單片機在這個(ge) 係統中的主要作用是接收上位機的指令，控製電機的運轉和手指關(guan) 節的運動以及對反饋的信號進行PID調節將結果送往上位機，並將采集來的信號送往上位機準備下一次指令的接收。主要流程如圖2所示。  

2.2串口通信模塊

對於(yu) 串口通信主要是采用異步串行傳(chuan) 輸模式，數據的傳(chuan) 輸格式是RS232協議。對於(yu) PIC單片機來說對於(yu) 串口的操作主要是對下麵幾個(ge) 寄存器的操作：TXSTA發送狀態與(yu) 控製、RCSTA接收狀態與(yu) 控製寄存器、TXREGUSART發送寄存器、RCREGUSART接收寄存器和 SPBRG波特率產(chan) 生寄存器。

2.3電機驅動模塊

靈巧手的運動主要通過關(guan) 節處的電機的運動來控製。三指靈巧手的每個(ge) 手指有3個(ge) 自由度 也就說一個(ge) 手指的運動需要3個(ge) 電機來驅動。驅動方式采用繩索與(yu) 滑輪的方式傳(chuan) 動，電機選用了瑞士Maxon公司生產(chan) 的REmax21直流伺服電機以及與(yu) 其配套的減速器和編碼盤。

電機的驅動需要PWM信號來驅動，利用PIC單片機本身帶有的PWM信號口，配以功率放大器便 可進行電機的驅動。PWM信號主要是對其內(nei) 部Time2和2個(ge) 寄存器的設定：一個(ge) 是存貯PWM周期的PR2寄存器，一個(ge) 是存貯工作周期的寄存器CCPRXL［3］。PWM信號輸出示意圖如圖3所示。

當Time2剛開始工作時，PWM輸出端為(wei) 高電平，此後Time2會(hui) 和PR2，CCPRXL兩(liang) 個(ge) 寄存器比較，當Time2等於(yu) CCPRXL中的設定值時引腳輸出變為(wei) 低電平，當Time2計數到與(yu) PR2中的數相等時，此時引腳輸出變為(wei) 高電平，Time2便會(hui) 歸零重新計數，這就是PWM信號的輸出過程。在PW M信號的輸出端連接功放電路，采用L298芯片實現單極性可逆驅動，單片機生成的PWM脈寬調製信號直接由L298雙H橋PWM驅動器驅動，L298是一種高電壓大電流功率放大芯片。驅動電壓可達46 V，直流電流總和可達4 A，直接采用TTL邏輯電平控製。

2.4A/D模塊

對於(yu) 信號的采集部分，由於(yu) PIC單片機內(nei) 部集成了一個(ge) 5通道的8 b A/D，因此無需外接A/D ,直接應用即可。內(nei) 部A/D的使用主要是對ADCON0，ADCON1， ADRES三個(ge) 寄存器的設定。

3控製算法

在工業(ye) 控製中PID算法是一種很常用的算法，一般的8 b單片機運行該算法時速度會(hui) 受到穎響，對於(yu) 係統的控製有著一定的時延特性，但是基於(yu) PIC單片機的結構和高速特性，這一點可以克服［4］。對於(yu) PID在本係統中對於(yu) 該算法的軟件流程圖如圖4所示。

4結語

采用PIC單片機設計的三指靈巧手較好地完成了抓取實驗，所有的硬件設計比普通的8 b 單片機更為(wei) 簡潔，係統更為(wei) 穩定，操作簡單。相比較利用專(zhuan) 用的集成驅動電路和高性能的數 字信號處理器組成的係統，采用該方案成本更小，整體(ti) 的性能也相當好。

參考文獻
［1］ Okada T.An artificial finger equipped with adaptability to an object Bullelectrotechlab, 1974,37 (2)：1078-1090.
［2］武鋒.PIC係列單片機的開發應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版 社，2000.
［3］何信龍，李雪銀.PIC16C7X入門與(yu) 應用範例［M］.北京：清華大學出 版社，2001.
［4］王曉明.電動機的單片機控製［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.