【摘要】： 本文基于DSP(Digital Signal Processor)研制開(kāi)發(fā)了一套虛擬裝配數(shù)據(jù)手套控制器,研究了利用DSP的A/D端口采集傳感器數(shù)據(jù),利用D/A端口控制比例閥以調(diào)節(jié)氣動(dòng)人工肌肉的壓力大小,利用D/O端口控制繼電器以控制制動(dòng)氣囊的充、放氣的技術(shù),通過(guò)壓力輸出和角度采集,完成了控制器的調(diào)試,取得了良好的效果。 首先,探討了國(guó)內(nèi)外幾種典型的數(shù)據(jù)手套的結(jié)構(gòu)特征以及哈工大氣動(dòng)中心的力反饋數(shù)據(jù)手套,分析了TI公司各系列DSP芯片的特點(diǎn)和適用范圍,結(jié)合數(shù)據(jù)手套對(duì)控制器的要求,選擇了TMS320F2812芯片。 其次,完成了控制器硬件和軟件的設(shè)計(jì)。利用DSP的多通道緩沖串口為角度傳感器和力傳感器設(shè)計(jì)了58路A/D數(shù)據(jù)采集電路并使用放大器和多路開(kāi)關(guān)對(duì)其進(jìn)行了電路調(diào)理;應(yīng)用串行外圍設(shè)備接口及多路采樣保持器擴(kuò)展了64路D/A轉(zhuǎn)換電路用于控制比例閥,并為其配置了反向隔離電路;采用多路復(fù)用技術(shù)設(shè)計(jì)了16路D/O轉(zhuǎn)換電路用于控制繼電器板;完成了控制器與上位機(jī)通信的RS232接口、USB2.0接口以及控制器必需的工作電源提供電路、復(fù)位電路以及邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、仿真接口等。在軟件設(shè)計(jì)中,使用了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS2(Code Composer Studio Version 2.0)作為開(kāi)發(fā)工具,采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程,完成了系統(tǒng)主程序模塊、A/D子程序模塊、D/A子程序模塊、D/O子程序模塊、RS232子程序模塊。 最后,本文設(shè)計(jì)了壓力輸出和角度傳感器信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)控制器進(jìn)行了基本的調(diào)試。控制器的D/A端口給出不同的電壓輸出值控制比例壓力閥的壓力用于模擬不同的觸覺(jué)。通過(guò)對(duì)角度傳感器幾個(gè)完整周期的輸出信號(hào)的采集處理,對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行校正并與標(biāo)準(zhǔn)值作了對(duì)比。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號(hào)】：TP391.9;TP368.12
【圖文】：

如圖1-1 所示。這種數(shù)據(jù)手套采用的是基于力敏原理的彎曲傳感器，共有 18 個(gè)傳感器分別縫在具有良好彈性的尼龍手套上的相關(guān)部位。當(dāng)操作者戴上該手套時(shí)，傳感器的彎曲角度隨手指變化，計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和A/D 采樣電路得到用戶手部的動(dòng)作信息。這種手套的不足之處是，對(duì)人手尺寸的適應(yīng)性不強(qiáng)，必須制作一系列尺寸的手套，來(lái)適應(yīng)不同人手的尺寸。另外，由于手套中用到的電磁鐵具有非線性，在控制方面也存在較大的困難。圖 1-1 中科院數(shù)據(jù)手套 圖 1-2 拉特格斯力反饋機(jī)構(gòu)Fig. 1-1 GAS-Glove Fig. 1-2 Rutgers Master II-ND美國(guó)Rutgers大學(xué)的Burdea等人設(shè)計(jì)了一個(gè)非常輕的力反饋機(jī)構(gòu)，稱為Rutgers Master II-ND[4]。RM II像一副手套似的戴在用戶的手上，主要包括一個(gè)平臺(tái)，上面架著四個(gè)特制的氣缸。每個(gè)氣缸的頂端都和相應(yīng)的指尖相連，軸和指尖的連接通過(guò)“Y”形的連接物。這個(gè)平臺(tái)通過(guò)一條軟帶與手套相連，手套允許不同的用戶作相應(yīng)的調(diào)整，由一個(gè)簡(jiǎn)單的細(xì)皮手套作為傳感器反饋系統(tǒng)的支持結(jié)構(gòu)。如圖 1-2 所示�！癈ybergrasp”是Virtual Technologies公司開(kāi)發(fā)的僅有的一款商業(yè)化力覺(jué)反饋數(shù)據(jù)手套[5]，如圖 1-3 所示。“Cybergrasp”是安裝在用戶手背上的一個(gè)鋼絲繩驅(qū)動(dòng)的骨架機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

國(guó)內(nèi)的力覺(jué)反饋數(shù)據(jù)手套比較成熟的是中科院研制的GAS－Glove[3]，如圖1-1 所示。這種數(shù)據(jù)手套采用的是基于力敏原理的彎曲傳感器，共有 18 個(gè)傳感器分別縫在具有良好彈性的尼龍手套上的相關(guān)部位。當(dāng)操作者戴上該手套時(shí)，傳感器的彎曲角度隨手指變化，計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和A/D 采樣電路得到用戶手部的動(dòng)作信息。這種手套的不足之處是，對(duì)人手尺寸的適應(yīng)性不強(qiáng)，必須制作一系列尺寸的手套，來(lái)適應(yīng)不同人手的尺寸。另外，由于手套中用到的電磁鐵具有非線性，在控制方面也存在較大的困難。

圖 1-3 骨架機(jī)構(gòu) 圖 1-4 流體動(dòng)力手套Fig.1-3 Cybergrasp Fig.1-4 Fluid Power GloveFluid Power Glove是日本HOSEI大學(xué)田中實(shí)驗(yàn)室研究的氣動(dòng)式力反饋數(shù)據(jù)手套[6]，如圖 1-4 所示。這種力反饋數(shù)據(jù)手套通過(guò)應(yīng)變儀測(cè)量手指的彎曲角度，應(yīng)變儀貼在手指的關(guān)節(jié)處，和固定電阻組成平衡電橋，當(dāng)手指彎曲時(shí)，應(yīng)變儀的電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡，通過(guò)輸出電壓得應(yīng)變片彎曲的角度。數(shù)據(jù)手套作為手的數(shù)字化輸入設(shè)備，用來(lái)檢測(cè)指關(guān)節(jié)間的相對(duì)轉(zhuǎn)角和手指間的相對(duì)轉(zhuǎn)角。它的測(cè)量機(jī)制直接影響數(shù)據(jù)手套的性能。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)手套采用手套上依附傳感器的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在以下兩點(diǎn)不足：(1) 手套的大小約束了不同人手的適應(yīng)性，故手套必須有一系列的規(guī)格。(2) 作為支撐物的手套存在線性滑移和非線性的彎曲運(yùn)動(dòng)，標(biāo)定柔性體有很大誤差，且沿手指方向存在關(guān)節(jié)間的耦合。近年來(lái)，以氣動(dòng)肌肉為主的柔性執(zhí)行器逐漸引起人們的重視。氣動(dòng)人工肌肉是目前比較理想的可以模仿生物肌肉用于仿生機(jī)構(gòu)研究的一種驅(qū)動(dòng)器[7]，有輸出力/自重比高，安裝簡(jiǎn)單，可彎曲，柔性，安全，動(dòng)作平滑，運(yùn)動(dòng)更接近于自然生物運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)中心的數(shù)據(jù)手套采用氣動(dòng)人工肌肉和制動(dòng)氣囊的組合形式作為驅(qū)動(dòng)器，重量輕，可以佩戴在胳膊的小臂上，由氣管提供壓縮

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