超声电机驱动五指灵巧手的研制

论文摘要

多指灵巧手在太空探索、核能开发、医疗器械等领域有着广阔的应用前景。近二十几年来,由于工程应用的迫切需要,多指灵巧手的研究工作得到了迅速的发展,并已逐渐成为一个专门的研究领域。超声电机具有体积小、重量轻;自身不产生磁场亦不受磁场、辐射和真空的影响;低速大的扭矩,可直接驱动负载等特点,使它适合作为机构受到约束的灵巧手的驱动器。本文以超声电机为驱动单元、由弹性线作为传动装置设计了一种仿人灵巧手。该灵巧手具有5个手指,每个手指具有4个自由度,共20个自由度分别由20个超声电机驱动。所设计的灵巧手将全部超声电机置于掌内,具有独立的手部结构;重量估计不超过1kg。为了检验设计方案是否能达到预期的效果,运用ADAMS分析软件对灵巧手模型进行了运动学和动力学的仿真,仿真结果表明设计方案合理可行。其次,以DSP+CPLD为核心控制器建立了5指灵巧手的运动控制系统。设计了以运动控制芯片TMS302F2812为核心的控制系统,包含DSP系统电路、驱动超声电机正反转电路、传感器信息采集电路、超声电机调速电路。完成了5指灵巧手的运动控制系统软件编制,包括系统初始化模块、关节回零模块、关节运动控制模块。采用Bang—Bang控制和增量数字PID控制相结合的控制方法实现了灵巧手关节位置反馈控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外灵巧手研究现状及分析
• 1.3 超声电机的发展及应用
• 1.3.1 超声电机的发展概况
• 1.3.2 超声电机的特点
• 1.3.3 超声电机的应用
• 1.4 课题研究的目的与内容
• 1.4.1 课题研究的目的
• 1.4.2 课题研究的内容
• 第二章 超声电机驱动的五指灵巧手机械设计及仿真
• 2.1 引言
• 2.2 超声电机驱动的五指灵巧手机械设计
• 2.2.1 超声电机型号选择
• 2.2.2 传感器的选用
• 2.2.3 超声电机驱动的五指灵巧手模型
• 2.2.4 超声电机驱动的五指灵巧手食指细节设计
• 2.2.5 超声电机驱动的五指灵巧手拇指细节设计
• 2.3 五指灵巧手的ADAMS 仿真
• 2.3.1 五指灵巧手运动学仿真
• 2.3.2 五指灵巧手动力学仿真
• 2.4 总结
• 第三章 灵巧手运动控制系统硬件设计
• 3.1 灵巧手控制系统总体设计方案
• 3.2 灵巧手控制器硬件设计
• 3.2.1 灵巧手控制器选型
• 3.2.2 TMS320F2812 的特点
• 3.2.3 SEED-DEC2812 开发板资源介绍
• 3.2.4 CPLD 选型及EPM7192S 介绍
• 3.3 灵巧手控制器的硬件实现
• 3.3.1 DSP 系统电路
• 3.3.2 超声电机启停与正反转的实现
• 3.3.3 传感器信息采集模块电路
• 3.3.4 超声电机调速的实现
• 3.3.5 外设选通地址译码电路
• 3.4 本章小结
• 第四章 灵巧手运动控制系统软件设计
• 4.1 DSP 开发环境及程序结构
• 4.2 灵巧手控制软件主程序设计
• 4.2.1 系统初始化模块
• 4.2.2 关节回零模块
• 4.2.3 灵巧手关节运动控制模块
• 4.3 灵巧手的控制策略
• 4.3.1 超声电机控制方法
• 4.3.2 PID 控制
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文
• 附录：五指灵巧手运动控制系统电路原理图