一種小型偵察車車載機械手及其控制系統的制作方法

本發明涉及一種小型偵察車車載機械手及其控制系統，適用于環保領域。

背景技術：

隨著現代科學技術的迅速發展，機器人技術的應用幾乎擴展到整個工業領域，并在工業生產中發揮了巨大作用。但對于未知或特殊的任務，機器人還不能獨立完成，而且缺少必要的柔性。為了提高整個系統的效能，需要研究如何使人與機器人相互配合，共同完成作業任務。而搭載于機器人上的機械手能模仿人手臂的某些動作功能，可以按固定程序抓取、搬運物件或對工具的自動操作，代替人的繁重勞動以實現工作的機械化和自動化，業已成為機器人系統中非常重要的組成部分。特別是近年來機械手已逐漸應用于易燃易爆品的裝配、拆卸、搬運，以及消防、反恐、防爆等高度危險環境，代替人類完成力所不及的工作，這類機械手因此也被稱為“專用機械手”。世界各國對專用機械手的研究愈加重視，紛紛投入大量的人力、物力加以研究和應用。從目前情況看，我國“專用機械手”還處在研究、跟蹤、試驗階段，其主要原因在于這類機械手不僅需要載體平臺的穩定移動，而且還要求機械手穩定執行操作，即在控制過程中保持協調穩定。

搭載機械手的移動機器人本體為四輪履帶式偵察車，它具備自主導航能力，可攀爬樓梯，能適應沙地、草地等各種復雜地形。在遇到生化污染、核威脅等人員不便進入的危險情況下，遠端操作人員可遙操作機器人進入危險環境，遠程控制并操作機械手取樣，使環保人員快速了解現場，并能夠減少不必要的人員傷亡。

技術實現要素：

針對污染與核輻射環境的應急處理需要，本發明提出了一種小型偵察車車載機械手及其控制系統，搭載于已開發出來的小型移動機器人平臺上。小型移動機器人具有自主導航能力，包括立體視覺基礎的避障，及在視覺引導下的攀爬樓梯。在機器人偵察各種污染和輻射環境、人員不便進入的情況下，車載機械手的出現，可以代替人員進行手工操作、抓取、采集樣品等，大大改善了工作條件，提高了工作效率，保障了人員安全，減少了不必要的人員傷亡。

本發明所采用的技術方案是：

所述車載機械手為3自由度關節型。關節型機械手顧名思義，它像人手一樣有肘關節，可實現多個自由度，可以實現大臂、小臂擺動，以及肘關節、肩關節的運動，動作較靈活。關節型機械手具有上肢結構，可實現近似人手的操作機能。手臂的剛性直接影響到手臂抓取目標物體時動作的平穩性、運動的速度和定位精度。剛性差則手臂會產生振動，影響操作精度。為此手臂一般都采用剛性較好的導向桿來加大手臂的剛度，以保證可承受所需要的驅動力。為此，機械手全都采用密度小、剛度大的鋁材料，既能滿足剛度要求，又能減輕重量。設計中大臂長350mm，小臂長250 mm。大臂小臂可根據取樣需要而隨時更換不同長度的套筒。這種手臂的最大優點是不工作時可以折疊起來，平躺在機器人載車上。

所述車載機械手主要由執行機構、驅動機構和控制系統3大部分組成。執行機構是機械臂、機械手爪與基座的總稱。驅動機構有液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。目前專用機械手采用電氣驅動方式的較多。

所述機械手采用電氣驅動方式。控制系統主控單元采用C8051 F020，其峰值速度可達25 MIPS，完全滿足運行的高效率要求，保證了機械手工作的穩定性與實時性。通過UART串口通信接收上位機的控制命令，并實時采集位置傳感器信息，調節工作狀態。以下將從執行機構、驅動機構和控制系統這3個方面詳細加以介紹。

所述機械手的手部安裝與手臂前端是用來抓持工件(或工具)的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。它模仿人類手指，分為無關節型，固定關節型和自由關節型3種。手指的數量又可分為二指、三指、四指等，本次設計采用的為三指形手爪。

所述機械手的手掌部主要由力傳感器、手指、手指連桿、小型直流電機、小齒輪及同軸齒輪、手指齒輪組成。其傳動原理是：固定的手掌是整個機構的機架。小型直流電機的輸出軸上裝有小齒輪，小齒輪與同軸齒輪大齒輪嚙合傳動并起到減速增力的作用，同軸齒輪小齒輪與手指齒輪嚙合傳動起到同樣的作用。手指齒輪軸與短指鍵連接，保持短指與手指齒輪同步轉動，手指齒輪上還固定有手指連桿，使長指在短指轉動的同時向反方向轉動，從而達到手指開合的效果。手指的最大抓取能力為：最大抓取直徑95 mm，最大抓取重量4 kg。手爪的工作由單片機C8051F320控制，由C8051F320給出PWM信號通過H形橋式電路控制小型直流電機的正轉和反轉從而控制手指的分開與合攏。手指上安裝有力覺傳感器，當手指合攏時將力覺信號反饋到C805l F320，由單片機判斷是否達到或者超過所設定的夾緊力度，從而決定是否繼續夾緊或者放松。手掌部還安裝有一個攝像頭，可以實時觀察手爪工作實景。

所述手臂套筒與關節兩端通過螺釘緊固，電機軸用銷固定。機械手通過基座安裝固定在小型偵察車的儀器艙上，腕部裝有攝像頭，遠端操作員可實時觀察機械手工作狀態。基座是用以承受機械手全部重量的構件，對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。基座的結構與機械手整體布置有關。對通用機械手而言，傳動部分通常布置在機架內部或后下方，控制部分布置在基座的后上方或單獨布置一個控制箱。而對于專用機械手，傳動部分和控制部分是單獨設計的，故而基座比較簡單。

所述機械手驅動機構就是采用直流無刷伺服電機，用于在伺服系統中控制機械元件的運轉，可將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，精確地控制速度和位置。其主要特點是，當信號電壓為0時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。其優點在于扭矩大、運行平穩、噪音低、免維護、效率高、運行溫度低、裝配靈活，且控制簡單、容易實現智能化。

本發明的有益效果是：結構上，機械手全都采用密度小、剛度大的鋁材料，既能滿足剛度要求，又能減輕重量，并采用關節式設計，臂長可根據工作要求不同隨時更換，靈活可靠，不工作時可以折疊起來，平躺在機器人載車上；控制上，采用C805117020單片機，設計出光電碼盤信號處理電路，實現位置與速度的精確定位，響應快速、準確。目前機械手在實際應用中，工作狀態良好，可以完成各種危險環境下的采集取樣任務。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的關節型機械手結構示意圖。

圖2是本發明的手部結構圖。

圖3是本發明的關節部分結構主視圖。

圖4是本發明的關節部分結構俯視圖。

圖5是本發明的關節部分結構右視圖。

圖6是本發明的車載機械手控制原理框圖。

圖1中：1.基座；2.肩關節；3.肘關節；4.腕關節；5目標。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1，車載機械手為3自由度關節型。關節型機械手顧名思義，它像人手一樣有肘關節，可實現多個自由度，可以實現大臂、小臂擺動，以及肘關節、肩關節的運動，動作較靈活。關節型機械手具有上肢結構，可實現近似人手的操作機能，如圖1所示。手臂的剛性直接影響到手臂抓取目標物體時動作的平穩性、運動的速度和定位精度。剛性差則手臂會產生振動，影響操作精度。為此手臂一般都采用剛性較好的導向桿來加大手臂的剛度，以保證可承受所需要的驅動力。為此，機械手全都采用密度小、剛度大的鋁材料，既能滿足剛度要求，又能減輕重量。設計中大臂長350mm，小臂長250 mm。大臂小臂可根據取樣需要而隨時更換不同長度的套筒。這種手臂的最大優點是不工作時可以折疊起來，平躺在機器人載車上。

如圖2，車載機械手主要由執行機構、驅動機構和控制系統3大部分組成。執行機構是機械臂、機械手爪與基座的總稱。驅動機構有液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。目前專用機械手采用電氣驅動方式的較多。

機械手采用電氣驅動方式。控制系統主控單元采用C8051 F020，其峰值速度可達25 MIPS，完全滿足運行的高效率要求，保證了機械手工作的穩定性與實時性。通過UART串口通信接收上位機的控制命令，并實時采集位置傳感器信息，調節工作狀態。以下將從執行機構、驅動機構和控制系統這3個方面詳細加以介紹。

如圖3、圖4、圖5，機械手的手部安裝與手臂前端是用來抓持工件(或工具)的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。它模仿人類手指，分為無關節型，固定關節型和自由關節型3種。手指的數量又可分為二指、三指、四指等，本次設計采用的為三指形手爪。

手掌部主要由力傳感器、手指、手指連桿、小型直流電機、小齒輪及同軸齒輪、手指齒輪組成。其傳動原理是：固定的手掌是整個機構的機架。小型直流電機的輸出軸上裝有小齒輪，小齒輪與同軸齒輪大齒輪嚙合傳動并起到減速增力的作用，同軸齒輪小齒輪與手指齒輪嚙合傳動起到同樣的作用。手指齒輪軸與短指鍵連接，保持短指與手指齒輪同步轉動，手指齒輪上還固定有手指連桿，使長指在短指轉動的同時向反方向轉動，從而達到手指開合的效果。手指的最大抓取能力為：最大抓取直徑95 mm，最大抓取重量4 kg。手爪的工作由單片機C8051F320控制，由C8051F320給出PWM信號通過H形橋式電路控制小型直流電機的正轉和反轉從而控制手指的分開與合攏。手指上安裝有力覺傳感器，當手指合攏時將力覺信號反饋到C805l F320，由單片機判斷是否達到或者超過所設定的夾緊力度，從而決定是否繼續夾緊或者放松。手掌部還安裝有一個攝像頭，可以實時觀察手爪工作實景。

手臂套筒與關節兩端通過螺釘緊固，電機軸用銷固定。機械手通過基座安裝固定在小型偵察車的儀器艙上，腕部裝有攝像頭，遠端操作員可實時觀察機械手工作狀態。基座是用以承受機械手全部重量的構件，對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。基座的結構與機械手整體布置有關。對通用機械手而言，傳動部分通常布置在機架內部或后下方，控制部分布置在基座的后上方或單獨布置一個控制箱。而對于專用機械手，傳動部分和控制部分是單獨設計的，故而基座比較簡單。

機械手驅動機構就是采用直流無刷伺服電機，用于在伺服系統中控制機械元件的運轉，可將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，精確地控制速度和位置。其主要特點是，當信號電壓為0時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。其優點在于扭矩大、運行平穩、噪音低、免維護、效率高、運行溫度低、裝配靈活，且控制簡單、容易實現智能化。

如圖6，機械手系統的主控芯片采用C8051F020單片機。C8051F020的內部電路包括CIP-51微控制器內核及RAM、ROM、I/O口、定時/計數器、ADC、DAC、PCA、SPI和UART等部件，即把計算機的基本組成單元以及模擬和數字外設集成在一個芯片上，構成一個完整的片上系統(SOC)。其中PCA可輸出5路PWM，其靈活的控制方式使得C805lF020非常適合用于控制各種電機，且實時性、可靠性都很出色，綜合考慮C8051F020各項性能，用它作為車載機械手的主控芯片非常合適。

C8051F020PCA可編程計數陣列輸出的PWM脈寬調制信號經光耦隔離，同時進行電平匹配后接入直流無刷伺服電機驅動器，電機驅動后，碼盤輸出的脈沖信號經波形整形后進入主控芯片的L/O口，以完成對機械手運動的速度和位置控制。由于機械手控制器與上位機之間的通信數據量較小，但對可靠性和抗干擾能力要求較高，因此采用UART串口通信。

通過對碼盤信號的簡單處理即可完成對電機位置與速度的精確控制。如果碼盤輸出信號波動較大，單片機采樣就會產生偏差，影響控制精確度及對波形的整形。由于所選光電碼盤為512線，電機減速比為294：l，轉動一圈產生的脈沖數為150528個，而單片機計數器最大只有16位，可記錄65536個脈沖，為了獲得更高的控制精度與更大的控制范圍，故對整形后的脈沖信號需設計分頻電路。通過對電機碼盤的輸出脈沖進行整形、分頻、鑒相、計數等一系列處理后，完成對位置的精確控制。