付艷玲，張慶，王宏偉，呂慶，王婉

（中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院，北京，100176）

0 引言

仿生口腔機(jī)器人是根據(jù)仿生學(xué)原理，模擬人體口腔運(yùn)動(dòng)功能的仿生機(jī)器人。此類機(jī)器人是基于綜合仿生學(xué)，結(jié)合空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能控制技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等多種學(xué)科模擬人體口腔機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、行為方式和運(yùn)動(dòng)功能的裝置【1】。然而，由于人體口腔特殊的不規(guī)則構(gòu)造和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，導(dǎo)致此類機(jī)器人對(duì)控制系統(tǒng)有著更高的要求【2】。

早期的機(jī)器人設(shè)計(jì)中通常采用AVR系列微控制器[3]、DSP數(shù)字信號(hào)控制器[4]等對(duì)功能簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制，此類控制系統(tǒng)集成度低、實(shí)時(shí)性差，一定程度上降低了機(jī)器人的自動(dòng)化程度。基于此，本文以實(shí)驗(yàn)室自行研制的仿生口腔機(jī)械裝置為對(duì)象，采用stm32系列嵌入式微處理器及μC/OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心，執(zhí)行單元的驅(qū)動(dòng)模塊采用通用器件搭建，設(shè)計(jì)了一套集成度高、體積小、功耗小、實(shí)時(shí)性好的硬件控制系統(tǒng)平臺(tái)，并基于此平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)功能的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 仿生口腔機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，本文通過(guò)人體口腔的構(gòu)造以及運(yùn)動(dòng)功能分析，搭建了仿生口腔機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)。仿生口腔機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遵循了“行態(tài)仿生，突出功能”的原則，利用Solidworks設(shè)計(jì)了仿生部件、機(jī)械零部件和組件等，并對(duì)各仿生部件及組件進(jìn)行組合，形成一個(gè)完整的裝配體【5】，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 仿生口腔機(jī)器人建模結(jié)構(gòu)圖

仿生口腔機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)自下而上分成底座、仿生脖頸和仿生口腔三個(gè)部分，具有如圖2所示的4個(gè)自由度，分別負(fù)責(zé)仿生口腔腔體水平旋轉(zhuǎn)、上下旋轉(zhuǎn)、傾斜翻轉(zhuǎn)和頜面開(kāi)合運(yùn)動(dòng)控制。仿生口腔機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)本體，能夠滿足機(jī)器人的仿生機(jī)械部分的機(jī)構(gòu)及性能要求，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的母板和基礎(chǔ)。

圖2 仿生口腔機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度示意圖

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

仿生口腔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，以現(xiàn)有的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)解析基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，本文對(duì)口腔機(jī)器人的仿生關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，為整體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了可能。

基于仿生口腔機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)需求，其控制系統(tǒng)要同時(shí)控制4個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器工作，并進(jìn)行大量計(jì)算協(xié)調(diào)多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，還要具備良好的擴(kuò)展性，因此控制系統(tǒng)的主控制器決定采用高性能、低成本、低功耗，具有多路PWM輸出功能和豐富I/O端口的STM32系列微控制器。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器采用直流舵機(jī)，即一種位置（角度）伺服驅(qū)動(dòng)器?？刂葡到y(tǒng)的控制原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)控制原理圖

控制系統(tǒng)具備很好的單機(jī)性能，用于人機(jī)交互的液晶觸摸顯示屏用來(lái)完成機(jī)器人的動(dòng)作規(guī)劃，確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；主控制器接收液晶屏輸入的用戶指令，并將指令解析成對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式，然后轉(zhuǎn)換為對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的操作指令，發(fā)送給各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，完成多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器處于控制系統(tǒng)的終端，接收主控制器的指令信息，完成對(duì)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件電路由核心控制單元及其外圍接口電路，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)交互模塊、存儲(chǔ)器模塊、藍(lán)牙模塊、電源管理模塊等組成【6】。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)操控功能的關(guān)鍵模塊為主控部分、電源部分和人機(jī)交互部分。電源部分負(fù)責(zé)給控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊供電。主控部分響應(yīng)人機(jī)界面輸入的控制指令，對(duì)仿生口腔機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行集中控制，負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)各關(guān)節(jié)的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。人機(jī)交互部分是操作者與主控制器的數(shù)據(jù)交互，主要用于實(shí)現(xiàn)信息顯示、狀態(tài)顯示、信息輸入、狀態(tài)輸出等信息交互功能。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

主控部分采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6作為主控制器。該控制器集成了多路PWM控制單元和豐富的外圍I/O資源、具有運(yùn)行處理速度快，低功耗以及多任務(wù)等特點(diǎn)。這款控制器的高性能、高性價(jià)比、簡(jiǎn)單易用的開(kāi)發(fā)方式，能充分滿足本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求。

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器采用30kg單軸金屬數(shù)字伺服舵機(jī)DS3230，工作電壓為4.8V-6.8V，可控角度為360度，脈寬范圍為500us-2500us，控制精度為3us，工作頻率為50-330Hz，驅(qū)動(dòng)方式為PWM驅(qū)動(dòng)輸出。DS3230數(shù)字伺服舵機(jī)內(nèi)部采用MCU控制，單次PWM脈寬控制信號(hào)可鎖定舵機(jī)輸出角度，因此在性能上具有控制精度高、線性度好、與控制協(xié)議嚴(yán)格一致的特點(diǎn)，既能達(dá)到位置控制又能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。DS3230數(shù)字伺服舵機(jī)外部采用金屬外殼和金屬齒輪設(shè)計(jì)，因此此款舵機(jī)具有良好的散熱性和較長(zhǎng)的使用壽命。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器模塊結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖

電源管理模塊采用便攜式電源管理模式，配備單節(jié)18650鋰電池的可邊充邊放的電源方案。電源管理模塊增加有UPS功能，并具備鋰電池過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、限流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)和輸出短路保護(hù)等功能。電源管理模塊的供電輸出為直流5V，充電電流為500mA。由于伺服舵機(jī)會(huì)產(chǎn)生噪音，而且伺服舵機(jī)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電源管理模塊為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制電路分開(kāi)供電，實(shí)現(xiàn)相互間的電源隔離，并進(jìn)行比例必須合理電源供應(yīng)。電源管理模塊設(shè)計(jì)原理如下圖6所示。

圖6 電源模塊設(shè)計(jì)原理圖

人機(jī)交互部分通過(guò)接入LCD觸摸顯示屏給用戶提供一個(gè)可視化的人機(jī)交互接口。系統(tǒng)中采用的是分辨率為4.3寸的電容觸摸屏模塊ATK-4.3TFTLCD。該模塊屏幕分辨率為800*480電容觸摸屏，16位真彩顯示，采用自帶GRAM的NT35510驅(qū)動(dòng)，無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)器，支持5點(diǎn)同時(shí)觸摸，具有非常好的操控效果。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，根據(jù)仿生口腔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需求生成相應(yīng)PWM信號(hào)，經(jīng)控制線傳送到各關(guān)節(jié)舵機(jī)，該P(yáng)WM信號(hào)的時(shí)基脈沖為20ms，脈寬為0.5-2.5ms，脈沖的寬度決定了舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，因此舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由可變寬度的脈沖來(lái)進(jìn)行控制。一般來(lái)說(shuō)，不同舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度可能不相同，但是其中間位置的脈沖寬度是一定的，那就是1.5ms，從這個(gè)位置到最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度與最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度的量完全一樣【7】。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制信號(hào)經(jīng)由控制線進(jìn)入舵機(jī)內(nèi)部的信號(hào)調(diào)制模塊，獲得直流偏執(zhí)電壓。將獲得的直流偏執(zhí)電壓和內(nèi)部電位器的電壓比較，得到電壓差輸出，電壓差的正負(fù)決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。直流電機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電位器旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電位器輸出的電壓信號(hào)與輸入控制信號(hào)轉(zhuǎn)換出的直流偏執(zhí)電壓之間的電壓差為零時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)保持在所需角度，當(dāng)接收到下一個(gè)不同的脈沖控制信號(hào)，舵機(jī)會(huì)按這個(gè)原理轉(zhuǎn)動(dòng)到新的角度【8】。

Stm32f103zet6產(chǎn)生PWM信號(hào)要用到定時(shí)器，其內(nèi)部的定時(shí)器資源非常豐富，在軟件設(shè)計(jì)中，Stm32f103zet6使用2個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生2路PWM波。確定PWM信號(hào)發(fā)生通道后要進(jìn)行時(shí)鐘、GPIO口以及定時(shí)器配置，然后根據(jù)指令讀取關(guān)節(jié)角度，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)占空比的PWM信號(hào)，最后輸出周期為20ms的PWM脈沖控制信號(hào)。軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工具采用Keil uVision5集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為C語(yǔ)言，在軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試過(guò)程中，在功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具有完整的注釋、精良的架構(gòu)、良好的擴(kuò)展性、完備的保護(hù)系統(tǒng)、運(yùn)行前的模擬系統(tǒng)等特點(diǎn)。軟件控制流程如圖7所示。

圖7 軟件控制流程圖

5 調(diào)試及實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的仿生口腔機(jī)器人由控制電路板、水平相驅(qū)動(dòng)器、垂直相驅(qū)動(dòng)器以及機(jī)械部分組成，實(shí)現(xiàn)支撐體帶動(dòng)口腔腔體的4個(gè)自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)將對(duì)自下而上4個(gè)自由度的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行測(cè)試。舵機(jī)的控制信號(hào)是一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，其高電平部分為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以00-1800為角度范圍，對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如表1所示。

表1 角度脈寬換算

關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3主要實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生腔體的支撐和聯(lián)動(dòng)的作用，完成腔體水平旋轉(zhuǎn)、上下旋轉(zhuǎn)和傾斜翻轉(zhuǎn)功能。其運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)、PWM控制信號(hào)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下表2所示。

表2 測(cè)試記錄

關(guān)節(jié)4主要負(fù)責(zé)仿生口腔的頜面開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為垂直開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)、PWM控制信號(hào)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下表3所示。

表3 測(cè)試記錄

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)人體口腔的構(gòu)造以及運(yùn)動(dòng)功能分析，搭建了一種簡(jiǎn)單、可靠的仿生口腔機(jī)械架構(gòu)，并以stm32f103zet6為核心控制器和PWM脈沖波為控制信號(hào)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，完成了仿生口腔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真度高，控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的控制準(zhǔn)確，整體系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，符合設(shè)計(jì)要求。