一种小型侦察车车载机械手及其控制系统的制作方法

本发明涉及一种小型侦察车车载机械手及其控制系统，适用于环保领域。

背景技术：

随着现代科学技术的迅速发展，机器人技术的应用几乎扩展到整个工业领域，并在工业生产中发挥了巨大作用。但对于未知或特殊的任务，机器人还不能独立完成，而且缺少必要的柔性。为了提高整个系统的效能，需要研究如何使人与机器人相互配合，共同完成作业任务。而搭载于机器人上的机械手能模仿人手臂的某些动作功能，可以按固定程序抓取、搬运物件或对工具的自动操作，代替人的繁重劳动以实现工作的机械化和自动化，业已成为机器人系统中非常重要的组成部分。特别是近年来机械手已逐渐应用于易燃易爆品的装配、拆卸、搬运，以及消防、反恐、防爆等高度危险环境，代替人类完成力所不及的工作，这类机械手因此也被称为“专用机械手”。世界各国对专用机械手的研究愈加重视，纷纷投入大量的人力、物力加以研究和应用。从目前情况看，我国“专用机械手”还处在研究、跟踪、试验阶段，其主要原因在于这类机械手不仅需要载体平台的稳定移动，而且还要求机械手稳定执行操作，即在控制过程中保持协调稳定。

搭载机械手的移动机器人本体为四轮履带式侦察车，它具备自主导航能力，可攀爬楼梯，能适应沙地、草地等各种复杂地形。在遇到生化污染、核威胁等人员不便进入的危险情况下，远端操作人员可遥操作机器人进入危险环境，远程控制并操作机械手取样，使环保人员快速了解现场，并能够减少不必要的人员伤亡。

技术实现要素：

针对污染与核辐射环境的应急处理需要，本发明提出了一种小型侦察车车载机械手及其控制系统，搭载于已开发出来的小型移动机器人平台上。小型移动机器人具有自主导航能力，包括立体视觉基础的避障，及在视觉引导下的攀爬楼梯。在机器人侦察各种污染和辐射环境、人员不便进入的情况下，车载机械手的出现，可以代替人员进行手工操作、抓取、采集样品等，大大改善了工作条件，提高了工作效率，保障了人员安全，减少了不必要的人员伤亡。

本发明所采用的技术方案是：

所述车载机械手为3自由度关节型。关节型机械手顾名思义，它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度，可以实现大臂、小臂摆动，以及肘关节、肩关节的运动，动作较灵活。关节型机械手具有上肢结构，可实现近似人手的操作机能。手臂的刚性直接影响到手臂抓取目标物体时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。刚性差则手臂会产生振动，影响操作精度。为此手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，以保证可承受所需要的驱动力。为此，机械手全都采用密度小、刚度大的铝材料，既能满足刚度要求，又能减轻重量。设计中大臂长350mm，小臂长250 mm。大臂小臂可根据取样需要而随时更换不同长度的套筒。这种手臂的最大优点是不工作时可以折叠起来，平躺在机器人载车上。

所述车载机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统3大部分组成。执行机构是机械臂、机械手爪与基座的总称。驱动机构有液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。目前专用机械手采用电气驱动方式的较多。

所述机械手采用电气驱动方式。控制系统主控单元采用C8051 F020，其峰值速度可达25 MIPS，完全满足运行的高效率要求，保证了机械手工作的稳定性与实时性。通过UART串口通信接收上位机的控制命令，并实时采集位置传感器信息，调节工作状态。以下将从执行机构、驱动机构和控制系统这3个方面详细加以介绍。

所述机械手的手部安装与手臂前端是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。它模仿人类手指，分为无关节型，固定关节型和自由关节型3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，本次设计采用的为三指形手爪。

所述机械手的手掌部主要由力传感器、手指、手指连杆、小型直流电机、小齿轮及同轴齿轮、手指齿轮组成。其传动原理是：固定的手掌是整个机构的机架。小型直流电机的输出轴上装有小齿轮，小齿轮与同轴齿轮大齿轮啮合传动并起到减速增力的作用，同轴齿轮小齿轮与手指齿轮啮合传动起到同样的作用。手指齿轮轴与短指键连接，保持短指与手指齿轮同步转动，手指齿轮上还固定有手指连杆，使长指在短指转动的同时向反方向转动，从而达到手指开合的效果。手指的最大抓取能力为：最大抓取直径95 mm，最大抓取重量4 kg。手爪的工作由单片机C8051F320控制，由C8051F320给出PWM信号通过H形桥式电路控制小型直流电机的正转和反转从而控制手指的分开与合拢。手指上安装有力觉传感器，当手指合拢时将力觉信号反馈到C805l F320，由单片机判断是否达到或者超过所设定的夹紧力度，从而决定是否继续夹紧或者放松。手掌部还安装有一个摄像头，可以实时观察手爪工作实景。

所述手臂套筒与关节两端通过螺钉紧固，电机轴用销固定。机械手通过基座安装固定在小型侦察车的仪器舱上，腕部装有摄像头，远端操作员可实时观察机械手工作状态。基座是用以承受机械手全部重量的构件，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。基座的结构与机械手整体布置有关。对通用机械手而言，传动部分通常布置在机架内部或后下方，控制部分布置在基座的后上方或单独布置一个控制箱。而对于专用机械手，传动部分和控制部分是单独设计的，故而基座比较简单。

所述机械手驱动机构就是采用直流无刷伺服电机，用于在伺服系统中控制机械元件的运转，可将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，精确地控制速度和位置。其主要特点是，当信号电压为0时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。其优点在于扭矩大、运行平稳、噪音低、免维护、效率高、运行温度低、装配灵活，且控制简单、容易实现智能化。

本发明的有益效果是：结构上，机械手全都采用密度小、刚度大的铝材料，既能满足刚度要求，又能减轻重量，并采用关节式设计，臂长可根据工作要求不同随时更换，灵活可靠，不工作时可以折叠起来，平躺在机器人载车上；控制上，采用C805117020单片机，设计出光电码盘信号处理电路，实现位置与速度的精确定位，响应快速、准确。目前机械手在实际应用中，工作状态良好，可以完成各种危险环境下的采集取样任务。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的关节型机械手结构示意图。

图2是本发明的手部结构图。

图3是本发明的关节部分结构主视图。

图4是本发明的关节部分结构俯视图。

图5是本发明的关节部分结构右视图。

图6是本发明的车载机械手控制原理框图。

图1中：1.基座；2.肩关节；3.肘关节；4.腕关节；5目标。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，车载机械手为3自由度关节型。关节型机械手顾名思义，它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度，可以实现大臂、小臂摆动，以及肘关节、肩关节的运动，动作较灵活。关节型机械手具有上肢结构，可实现近似人手的操作机能，如图1所示。手臂的刚性直接影响到手臂抓取目标物体时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。刚性差则手臂会产生振动，影响操作精度。为此手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，以保证可承受所需要的驱动力。为此，机械手全都采用密度小、刚度大的铝材料，既能满足刚度要求，又能减轻重量。设计中大臂长350mm，小臂长250 mm。大臂小臂可根据取样需要而随时更换不同长度的套筒。这种手臂的最大优点是不工作时可以折叠起来，平躺在机器人载车上。

如图2，车载机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统3大部分组成。执行机构是机械臂、机械手爪与基座的总称。驱动机构有液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。目前专用机械手采用电气驱动方式的较多。

机械手采用电气驱动方式。控制系统主控单元采用C8051 F020，其峰值速度可达25 MIPS，完全满足运行的高效率要求，保证了机械手工作的稳定性与实时性。通过UART串口通信接收上位机的控制命令，并实时采集位置传感器信息，调节工作状态。以下将从执行机构、驱动机构和控制系统这3个方面详细加以介绍。

如图3、图4、图5，机械手的手部安装与手臂前端是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。它模仿人类手指，分为无关节型，固定关节型和自由关节型3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，本次设计采用的为三指形手爪。

手掌部主要由力传感器、手指、手指连杆、小型直流电机、小齿轮及同轴齿轮、手指齿轮组成。其传动原理是：固定的手掌是整个机构的机架。小型直流电机的输出轴上装有小齿轮，小齿轮与同轴齿轮大齿轮啮合传动并起到减速增力的作用，同轴齿轮小齿轮与手指齿轮啮合传动起到同样的作用。手指齿轮轴与短指键连接，保持短指与手指齿轮同步转动，手指齿轮上还固定有手指连杆，使长指在短指转动的同时向反方向转动，从而达到手指开合的效果。手指的最大抓取能力为：最大抓取直径95 mm，最大抓取重量4 kg。手爪的工作由单片机C8051F320控制，由C8051F320给出PWM信号通过H形桥式电路控制小型直流电机的正转和反转从而控制手指的分开与合拢。手指上安装有力觉传感器，当手指合拢时将力觉信号反馈到C805l F320，由单片机判断是否达到或者超过所设定的夹紧力度，从而决定是否继续夹紧或者放松。手掌部还安装有一个摄像头，可以实时观察手爪工作实景。

手臂套筒与关节两端通过螺钉紧固，电机轴用销固定。机械手通过基座安装固定在小型侦察车的仪器舱上，腕部装有摄像头，远端操作员可实时观察机械手工作状态。基座是用以承受机械手全部重量的构件，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。基座的结构与机械手整体布置有关。对通用机械手而言，传动部分通常布置在机架内部或后下方，控制部分布置在基座的后上方或单独布置一个控制箱。而对于专用机械手，传动部分和控制部分是单独设计的，故而基座比较简单。

机械手驱动机构就是采用直流无刷伺服电机，用于在伺服系统中控制机械元件的运转，可将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，精确地控制速度和位置。其主要特点是，当信号电压为0时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。其优点在于扭矩大、运行平稳、噪音低、免维护、效率高、运行温度低、装配灵活，且控制简单、容易实现智能化。

如图6，机械手系统的主控芯片采用C8051F020单片机。C8051F020的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、ADC、DAC、PCA、SPI和UART等部件，即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统(SOC)。其中PCA可输出5路PWM，其灵活的控制方式使得C805lF020非常适合用于控制各种电机，且实时性、可靠性都很出色，综合考虑C8051F020各项性能，用它作为车载机械手的主控芯片非常合适。

C8051F020PCA可编程计数阵列输出的PWM脉宽调制信号经光耦隔离，同时进行电平匹配后接入直流无刷伺服电机驱动器，电机驱动后，码盘输出的脉冲信号经波形整形后进入主控芯片的L/O口，以完成对机械手运动的速度和位置控制。由于机械手控制器与上位机之间的通信数据量较小，但对可靠性和抗干扰能力要求较高，因此采用UART串口通信。

通过对码盘信号的简单处理即可完成对电机位置与速度的精确控制。如果码盘输出信号波动较大，单片机采样就会产生偏差，影响控制精确度及对波形的整形。由于所选光电码盘为512线，电机减速比为294：l，转动一圈产生的脉冲数为150528个，而单片机计数器最大只有16位，可记录65536个脉冲，为了获得更高的控制精度与更大的控制范围，故对整形后的脉冲信号需设计分频电路。通过对电机码盘的输出脉冲进行整形、分频、鉴相、计数等一系列处理后，完成对位置的精确控制。