基于DSP的虚拟装配数据手套控制器的研究

发布时间：2020-08-08 10:34

【摘要】： 本文基于DSP(Digital Signal Processor)研制开发了一套虚拟装配数据手套控制器,研究了利用DSP的A/D端口采集传感器数据,利用D/A端口控制比例阀以调节气动人工肌肉的压力大小,利用D/O端口控制继电器以控制制动气囊的充、放气的技术,通过压力输出和角度采集,完成了控制器的调试,取得了良好的效果。首先,探讨了国内外几种典型的数据手套的结构特征以及哈工大气动中心的力反馈数据手套,分析了TI公司各系列DSP芯片的特点和适用范围,结合数据手套对控制器的要求,选择了TMS320F2812芯片。其次,完成了控制器硬件和软件的设计。利用DSP的多通道缓冲串口为角度传感器和力传感器设计了58路A/D数据采集电路并使用放大器和多路开关对其进行了电路调理;应用串行外围设备接口及多路采样保持器扩展了64路D/A转换电路用于控制比例阀,并为其配置了反向隔离电路;采用多路复用技术设计了16路D/O转换电路用于控制继电器板;完成了控制器与上位机通信的RS232接口、USB2.0接口以及控制器必需的工作电源提供电路、复位电路以及逻辑电平转换电路、仿真接口等。在软件设计中,使用了集成开发环境CCS2(Code Composer Studio Version 2.0)作为开发工具,采用C语言和汇编语言混合编程,完成了系统主程序模块、A/D子程序模块、D/A子程序模块、D/O子程序模块、RS232子程序模块。最后,本文设计了压力输出和角度传感器信号测量实验对控制器进行了基本的调试。控制器的D/A端口给出不同的电压输出值控制比例压力阀的压力用于模拟不同的触觉。通过对角度传感器几个完整周期的输出信号的采集处理,对传感器的输出信号进行校正并与标准值作了对比。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP391.9;TP368.12
【图文】：

数据手套,中科院,手套

如图1-1 所示。这种数据手套采用的是基于力敏原理的弯曲传感器，共有 18 个传感器分别缝在具有良好弹性的尼龙手套上的相关部位。当操作者戴上该手套时，传感器的弯曲角度随手指变化，计算机通过信号转换电路和A/D 采样电路得到用户手部的动作信息。这种手套的不足之处是，对人手尺寸的适应性不强，必须制作一系列尺寸的手套，来适应不同人手的尺寸。另外，由于手套中用到的电磁铁具有非线性，在控制方面也存在较大的困难。图 1-1 中科院数据手套图 1-2 拉特格斯力反馈机构Fig. 1-1 GAS-Glove Fig. 1-2 Rutgers Master II-ND美国Rutgers大学的Burdea等人设计了一个非常轻的力反馈机构，称为Rutgers Master II-ND[4]。RM II像一副手套似的戴在用户的手上，主要包括一个平台，上面架着四个特制的气缸。每个气缸的顶端都和相应的指尖相连，轴和指尖的连接通过“Y”形的连接物。这个平台通过一条软带与手套相连，手套允许不同的用户作相应的调整，由一个简单的细皮手套作为传感器反馈系统的支持结构。如图 1-2 所示。“Cybergrasp”是Virtual Technologies公司开发的仅有的一款商业化力觉反馈数据手套[5]，如图 1-3 所示。“Cybergrasp”是安装在用户手背上的一个钢丝绳驱动的骨架机构。该系统由伺服电机驱动

力反馈,机构,手套,美国

国内的力觉反馈数据手套比较成熟的是中科院研制的GAS－Glove[3]，如图1-1 所示。这种数据手套采用的是基于力敏原理的弯曲传感器，共有 18 个传感器分别缝在具有良好弹性的尼龙手套上的相关部位。当操作者戴上该手套时，传感器的弯曲角度随手指变化，计算机通过信号转换电路和A/D 采样电路得到用户手部的动作信息。这种手套的不足之处是，对人手尺寸的适应性不强，必须制作一系列尺寸的手套，来适应不同人手的尺寸。另外，由于手套中用到的电磁铁具有非线性，在控制方面也存在较大的困难。

骨架,机构,数据手套,手套

图 1-3 骨架机构图 1-4 流体动力手套Fig.1-3 Cybergrasp Fig.1-4 Fluid Power GloveFluid Power Glove是日本HOSEI大学田中实验室研究的气动式力反馈数据手套[6]，如图 1-4 所示。这种力反馈数据手套通过应变仪测量手指的弯曲角度，应变仪贴在手指的关节处，和固定电阻组成平衡电桥，当手指弯曲时，应变仪的电阻发生变化，电桥失去平衡，通过输出电压得应变片弯曲的角度。数据手套作为手的数字化输入设备，用来检测指关节间的相对转角和手指间的相对转角。它的测量机制直接影响数据手套的性能。现有的数据手套采用手套上依附传感器的结构，这种结构存在以下两点不足：(1) 手套的大小约束了不同人手的适应性，故手套必须有一系列的规格。(2) 作为支撑物的手套存在线性滑移和非线性的弯曲运动，标定柔性体有很大误差，且沿手指方向存在关节间的耦合。近年来，以气动肌肉为主的柔性执行器逐渐引起人们的重视。气动人工肌肉是目前比较理想的可以模仿生物肌肉用于仿生机构研究的一种驱动器[7]，有输出力/自重比高，安装简单，可弯曲，柔性，安全，动作平滑，运动更接近于自然生物运动等优点。气动中心的数据手套采用气动人工肌肉和制动气囊的组合形式作为驱动器，重量轻，可以佩戴在胳膊的小臂上，由气管提供压缩

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