1 硬件系統

    現有的多指擬人機械手，存在體積龐大、機構復雜、控制困難、缺乏柔性等缺陷。直接將內嵌式SMA電機(ESMAA)作為指節。HT構造帶手掌多自由度擬人機械手。

    驅動與控制系統包括DSP最小系統、驅動模塊和檢測模塊。DSP最小系統一核心CPU+時鐘和復位電路+外圍存儲器擴展；驅動模塊=波形發生+信號放大+功率驅動；傳感器模塊一測量電橋+信號放大+信號濾波�？驁D見圖1。

圖1驅動與控制系統框圖 

1.1 驅動模塊

    驅動模塊見圖2，由DSP事件管理器輸出占空比可調的方波信號。由于該方波信號高電平范圍在0～5V，為保證MOSFET可靠開通和關斷，需要對該信號進行放大，因此采用電平轉換芯片CD40109。方波信號經過放大后由集成芯片TPS2812驅動MOSFET，進而控制流經SMA絲的電流脈沖，對SMA絲進行可控驅動目的。

圖2驅動模塊

   R₃和C₁支路構成防止MOSFET管關斷時承受過電壓的吸收電路；在柵極并聯穩壓二極管D，防止過電壓擊穿柵源問的氧化層；在柵極串聯一個小電阻R₁，對開關瞬間引起的振蕩起到阻尼作用。

1.2 檢測模塊

    基于應變反饋的曲率檢測模塊由電橋電路、放大電路和濾波電路組成。

    以平面彎曲ESMAA曲率傳感為例(圖3)，兩根相同半徑的SMA絲平行彈性棒軸線嵌入，絲與棒的半徑分別為r_s與R_r。其中，w₁為回復絲，與棒軸線重合，記憶為“U”形。w₂為恢復絲，偏心矩為d₁，記憶為直線態。電機運行方向是確定的，可按圖示方法配置兩片應變片G₁和G₂。當電機運行時，G₁受壓，而G₂受拉，因G₁和G₂對稱粘貼，故二者電阻變化量相等，極性相反，由1／2電橋得到輸出電壓，經放大濾波后送人DSP，通過軟件處理輸出一定占空比的PWM波。電橋電路如圖4所示。

圖3平面彎曲內嵌式SMA電機

圖4電橋電路 

2 軟件系統

    軟件流程圖見圖5。初始化工作包括：初始化時鐘寄存器，與通用定時器相關的寄存器，A／D轉換模塊，串口通信模塊，以及關閉看門狗等。

圖5主程序流程圖

    中斷事件包括：通過定時器T2中斷采集應變片信息及實現控制算法；通過T1和T3中斷產生PWM輸出，產生對ESMAA加熱電流進行控制的脈沖；通過外部中斷實現鍵盤輸入，便于人機交換，完成各ESMAA單元電機的啟停及占空比增減等功能。機械手位置傳感器的電壓輸入通過放大、濾波后接人F2407片內A／D轉換通道。在T2中斷發生后，A／D轉換模塊分別采集擬人手各指節的位置信息，采用分段多模式PI控制算法調整輸出加熱脈沖占空比。

    TMS320F2407芯片工作時，在定時器連續增計數模式下，使能定時器的比較操作，通過設置定時器周期中斷，定時周期寄存器就可以產生連續的周期信號，再通過改變定時比較寄存器的值控制脈寬。即可產生任意調制的PWM波形。通過定時器Tl與T3的周期中斷，產生6路PWM波形。在定時器周期中斷服務子程序內，改變比較寄存器的值，從而改變PWM波形的占空比。在相關硬件配置條件下，初始化DSP的CPUCLK為10MHz，將定時器T1的周期寄存器T1PR設置為F000h。定時器T3的周期寄存，器T3PR設置為F024h。T1產生的PWM信號的頻率等于40 kHz， T3產生的剛信號的頻率接近40 kHz，使得在定時器T1和T3產生的PWM頻率在滿足設計要求前提下，不會同時產生中斷，導致沖突。

    由于定時器T1周期中斷和定時器T3周期中斷共用了內核的INT2第3級中斷。因此，在INT3中斷服務子程序中，先根據中斷向量偏移地址來判斷究竟是定時器T1／T3哪一個產生了中斷(即確定定時器中斷號)，再轉入相應的子程序。并且。須編寫中斷保護和恢復代碼，在進入ISR時，要對這些寄存器變量進行堆棧保護；在ISR完成時。要對這些寄存器變量進行堆�；謴�。否則，2路通道的PWM輸出會出現紊亂的情況。這部分的中斷程序流程圖如圖6所示。

圖6多路PwM輸出程序流程圖 

3 實驗結果

    圖7為單指節的分段多模式PI階躍響應結果。參數勾：誤差閾值ξ=2 m^-1，比例系數K_p=0.05，積分系數K₁=0.006，目標曲率為18 m^-1，Umax為0.8，采樣周期T=15.4 ms。超調量<2.0％，穩態誤差小于0.5 m^-1。曲率誤差大于ξ時，輸出最大加熱電流占空比，電機快速達到設定曲率，上升時間為0.55 s。

圖7階躍響應買驗

    機械手由六臺單元樣機構成，考慮到系統對響應速度、穩定性、定位精度有較高要求，經操作與軌跡規劃后，對六指節同時控制，實現機械手協調運行與精確定位。試驗表明，機械手(限于篇幅，擬人手形圖略)基本能夠按照預期軌跡運動，但由于模型構建與制作工藝上存在誤差，表現出指尖不完全到位或超過預定位置。且不能嚴格保證各指節在同一時刻到達預定位置等等，尚須通過進一步的理論與實驗研究加以改進。

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本文標題：基于內嵌式SMA電機的多指手驅動控制系統

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