2024年6月6日发(作者：)

阅

中南工业大学学报　　　　　　　　　　

第２９卷专辑

Ｊ．　ＣＥＮＴ．　ＳＯＵＴＨ　ＵＮＩＶ．　ＴＥＣＨＮＯＬ

１９９８年５月

用于多指灵巧手的智能数据采集系统

何永强张启先李大寨王国庆

（北京航空航天大学机瑟人研究所，北京，１０００８３）

摘要本文研制丁一种用于多指灵巧手的４能数据未集系统，它与传统的数据采集未统不同，本介带有

两片ＣＰＵ．可以在没有其它ＣＰＵ参与的情况下，自主地完成数据米集和处理，并可代替高层计早机完成那

分重复而费时的工作．它可以用于多指灵巧手和智能机吞人系统，大大减径了高层计葬机的负担，吏有利于

分层递阶控制．本文详细介绍了该系统的硬件组成和工作原理，并且给出丁数据处理程序的界法和实现，

关锐词数据采集；数据处理；多指灵巧手

器，共２７路信号通过智能数据采集系统采集和处

１引言

理后送到高层供主控微机控制使用．下面介绍智能

数据采集系统的硬件组成和软件设计．

　　　　机器人的智能离不开各种传感器，所以数据采

集系统便成为智能机器人的必要组成部分．以往的

数据采集系统大多是由模／数转换器以其外围芯片

构成，而无中央处理单元，只能完成模拟信号向数

ｄｔ

三指灵巧手

字信号的转换，而其工作的控制、数据的处理都必

须由其它ＣＰＵ如分布控制系统的主控微机来完

图１　　ＢＨ－３三指灵巧手未统结构

成．智能机器人通常采用多ＣＰＵ分布控制系统和

分层递阶控制方式用主控微机来完成繁重的数据

２硬件组成

采集任务不仅给主控微机带来很大的负担，而且分

层不明显，不利于分层递阶控制．本文研制了一种

　　　　智能数据采集系统总体结构如图２所示．系统

智能数据采集系统，本身带有ＣＰＵ，可以不在主控

由两片８０９８单片机分别和模／数转换器ＡＤ１６７４一

微机的参与下自主地完成数据采集和处理．主控微

起构成两套数据采集和处理系统，分别处理来自关

机只要简单地发一条命令，它就能把处理好的数据

节位置传感器和指端力传感器的数据来自传感器

送上来，大大减轻了主控微机的负担，使其更好地

的信号经过放大解祸后通过多路模拟开关切换分时

完成上层任务．此外智能数据采集系统还可以完成

传给Ａ／Ｄ转换器，经过Ａ　／Ｄ转换由模拟信号变为

原来由主控微机完成的部分重复、费时但又很重要

数字信号再送到８０９８单片机进行处理两片８０９８

单片机则通过公用ＲＡＭ与主控微机ＰＣ进行数据

的工作，如对机械本体的运动状态进行监测等．此

交换．

系统已用于北京航空航天大学研制的ＢＨ－３三指灵

巧手中，运行效果良好．

北京航空航天大学研制的ＢＨ－　　　　３三指灵巧手有

三个指九个关节其控制系统采用分层控制结构，

两级计算机控制，高层用ＰＣ机作为主控微机，负

责系统管理、轨迹规划和高级控制算法的实现，底

层由九个单片机分别对九个电机进行伺服控制，系

统结构如图１所示．灵巧手的各个关节分别装有关

爵ＣＰ　　　喘Ａ？　Ｆ｝Ｙ，８６ｇ　　　９ｓ　８　　　ａ　ＡＭ／ＵＲ　　Ａ｝｝　ｉ｀ｃ＇｝ｉ　％ｉ３ｆ

节位置传感器，各手指的指端装有六维指端力传感

图２七能数据采集澳统结构

　　

ｒ

中南工业大学学报

第２９卷专辑

２．１　８０９８单片机与主控徽机的通讯

片机的应答线来确定当前公用ＲＡＭ是否在使用，

两片８０９８单片机与主控微机ＰＣ间的通讯通　　　　

以清除竞争和重复中断，各８０９８单片机通过口

过公用ＲＡＭ实现，这种方法传送数据效率高，数

Ｐ２．　１查询由ＰＣ机扩展１／Ｏ口（７４ＬＳ２７３）发出的应

据吞吐量大，且数字传送简便灵活，其原理如图３

答线来确定ＰＣ机中断请求是否有效，以避免误响

所示．ＰＣ机与两片８０９８单片机共同使用１片

应和重复响应遇紧急情况时智能数据采集系统的

ＲＡＭ作为外部存储器它们之间的数据交换均通

８０９８单片机还可通过口Ｐ０．　５向ＰＣ机发出中断请

过这片公用ＲＡＭ进行．由ＰＣ机通过扩展Ｉ／Ｏ口

求，ＰＣ机通过查询扩展１／Ｏ口（７４ＬＳ２４５）判断各

（７４ＬＳ２７３）控制分配器（７４ＬＳ１３９）管理各ＣＰＵ对公

中断源并作相应处理，通过扩展１／Ｏ口（７４ＬＳ２７３）

用ＲＡＭ的使用．当ＰＣ机将分配器的ＹＯ输出端

清除中断．

置低电平时，使ＰＣ机和公用ＲＡＭ之间的总线隔

２．２　８０９８单片机与Ａ／Ｄ转换器的接口

离０的允许端就绪，ＰＣ机获得公用ＲＡＭ使用权，

本文选用了ＡＤ１６７４作为模／数转换器，　　　　

与此同时分配器的其它输出端一直保持高电平，则

ＡＤ１６７４是１２位逐次通近型模／数转换器．片内带

Ｄ触发器的输出端Ｑ为高电平，总线隔离１，　２的

有采样保持器，故不需外加采祥保持器就可以和模

允许端无效，两片８０９８单片机与公用ＲＡＭ被阻

拟输入直接相连，芯片内设有三态输出缓冲电路，

隔当分配器输出端Ｙ。为高电平时，ＰＣ机放弃公

可以不用外部接口电路直接连到８位或１６位微处

用ＲＡＭ的使用权．当ＰＣ机将分配器输出端Ｙｌ，

理机总线上，ＡＤ１６７４的转换速度为１０　［Ｌｓ，输入模

Ｙ２中的某一个置为低电平时，则向相应的８０９８单

拟信号范围可为０－１０　Ｖ或。－２０Ｖ，也可为双极

片机发出中断请求信号，通知其使用公用ＲＡＭ，

性士５Ｖ或士１０　Ｖ．　８０９８单片机与Ａ／Ｄ转换器的

该８０９８单片机响应中断并将应答线Ｐ２．　０置低电

接口如图４所示．各路传感器信号经放大调整后变

平，使分配器无效，相应输出端由低变高，而Ｄ触

为Ｏ－　ＩＯ　　Ｖ的电压，由多路模拟开头ＡＤ７５０６和

发器的输入端为低电平，则Ｑ端由高变低，使该单

ＡＤ７５１１分时选通送到ＡＤ１６７４的输入端（ＳＰＮ），

片机总线隔离的允许端有效，获得公用ＲＡＭ的使

共享Ａ／Ｄ转换器．ＡＤ１６７４的转换和数据的读取由

用权，同时分配器的其它输出端为高电平，阻隔其

８０９８单片机通过控制信号ＣＥ，　ＣＳ，　Ｒ／Ｃ和１２／８控

它ＣＰＵ与公用ＲＡＭ的通讯，使用结束后该单片

制．当８０９８单片机向ＡＤ１６７４写选通地址（Ａｏ＝Ｏ）

机将应答线Ｐ２。置为高电平，放弃公用ＲＡＭ的

时，ＣＥ二１．　ＣＳ＝Ｏ，　ＡＤＣ１６７４处于工作状态，这时

使用权．

置Ｐ２．５为低电平，启动Ａ／Ｄ转换，然后８０９８单片

ＰＣ机通过扩展Ｉ　　　　／Ｏ（７４ＬＳ２４５）查询各８０９８单

机查询ＳＴＳ状态，看转换是否完毕，数据转换完毕

ＲＡＭ

‘　　　　　　

ＤＯＱ

）

ＳＤ口　　

ｔ４７ｉ１，ｔ１４

裂

一

７２４４Ｌ５Ｓ

｛

Ｉ

厅

ｔ工〕厂

ｒｒ－

ｉ

Ｉ创Ｌ

１二Ｉ

卜。．５Ｉ

一

叮

刁ｌ

１

［

．

「

一

＇

下门尸

一　　　　　　　　　　　　　　

ｆ

日

Ｉ　Ｕ０＇Ｑ

）

ＣＤ　Ｑ

Ｉ７３４７ＩＬ３Ｓ

７１４３Ｌ９５

ＹＹ１Ｕ

一

图３８０９８单片机与主控徽机通讯原理

协

飞

１９９８年５月

伺水强等：用于多指灵巧手的智能教据采集系统

后，再读同一地址，同时置Ｐ２．５为高电平，此时

ＣＳ＝Ｏ，　ＣＥ＝１，　Ｒ汇＝１，又由于１２／８＝０，　Ａａ＝Ｏ，

所以ＡＤ１６７４的高８位并行输出数据有效待读完

高８位数据后，地址加１再一次读取，则Ａｏ＝１，

而其它控制信号不变，故ＡＤ１６７４的低４位数据加

上尾随的４个０有效．从而读到１２位数据，完成

Ａ／Ｄ转换过程．

图４　８０９８单Ｋ机与Ａ／Ｄ转换毖接ｖ

３数据处理

　　　　从硬件组成可以看到，智能数据采集系统已不

是简单的数据转换系统，而是由双ＣＰＵ构成的完

整的计算机系统，它不仅可以对模／数转换过程进

行控制，而且可以对采集的数据进行处理和应用．

由于各种干扰的存在，采集到的数据不能直接用于

控制，除采用中值平均的滤波方法抑制随机噪声

外，还必须针对关节位置传感器和力传感器的不同

性质进行不同的处理．

３１关节位置传感器数据的处理

对于关节位置传感器来说，由于毛刺及其它干　　　　

扰的存在，有时会出现奇异值．这对系统的控制是

非常不利的，因为电位器的反馈信号直接用于系统

的位置控制，其值的跳动会使手指运动不平稳，甚

至产生抖动所以在信号送到高层微机之前必须剔

除原始数据中的奇异项．这里采用了简单的一阶差

分检查奇异项的方法，因为手指的运动相对于采样

频率变化极其缓慢，可以认为电位器相邻的两个数

据点的差是相等的．当系统上电时可用中值平均的

方法得到点Ｋ一２和Ｋ一Ｉ的数据ＸＫ＿　１１　ＸＫ＿，，

则按一阶差分方程预测出Ｋ时刻的估计值：

戈＊＝Ｘ，　　　　　　　　；＿１＋（ＸＫ－，一ＸＫ－，）　　　　　　　（１）

假定Ｋ时刻的实测值为ＸＫ，把Ｘ、与式（　　　　）Ｉ推

出的估计值ＸＡ相比，判断Ｘ二是否是奇异项．判断

的标准是：根据数据采集系统的精度给定一个误差

窗口ｗ，若｝Ｘ二一戈二｝＞ｗ，则认为此采样值Ｘ，；

是奇异项，必须剔除，而以Ｘ二取代实际采样值

Ｘｘ．剔除奇异项的程序框图如图５所示．

图５　　４｝１ｗ奇异＇ｉｆａ序１　ｖ　Ｌ８

３．２指端力传感器数据的处理

三指灵巧手采用应变片式六维指端力传感器，　　　　

它在把广义位移转换为电信号的过程中呈非线性关

系，而在硬件解祸过程中，非线性解藕是很困难的

且效果不佳，所以采用了线性解祸的方法．这样六

维力传感器的非线性很难消除．为了解决这个问

题，本文设计了力传感器信号线性化的程序，用软

件的方法进行非线性补偿．设力传感器某路信号的

输入一输入特性如图ｓ所示，图中ｘ为被测参量，ｙ

为输出量，它们是非线性关系，且ｙ二ｆ（ｘ），把图

中的输入量ｘ分成。个均匀的区间，每个区间的端

点二，都对应一个输出Ｙ＋，把这些ＸＡ，　Ｙ；编制成表格

存贮起来．实际的测量值二，一定会落在某个区间

叶＊，ｘ＋＋」内，即二。簇ｘ镇ｘ－，则利用Ｌａｇｒａｎｇｅ

线性插值公式可得

ｘ，一　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｘ－　　　　　ｘ』一ｘ．、

ｘＡ一　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｘＡ＿］一ｘＡ｝｝一ｘＡ

３．３灵巧手运行状态的监测和报带

除了对数据的自动采集和处理外，智能数据采　　　　

集系统还可以对处理后的数据进行分析和应用，代

替主控微机做一些经常、重复、费时但又很重要的

工作．本文应用关节位置和指端力传感器的信息对

灵巧手的手指运动和指端力进行检测和监视．当发

现系统的运行状态异常或遇紧急危险情况时．向主

ｖ

中南工业大学学报

第２９卷专辑

了

川

１！！１

，１

。一ｗｉｌ二，，二刀

！

・一石二

困６力传感界的愉出一精入特性

控微机发出报普信号，由主控微机采取相应的措

施．

　　　　监测手指运动状态是通过对关节位置的分析实

现的，采集到关节位置电位计的数据并处理后，便

可计算出各关节的实际角度。二（（ａ