基于數(shù)據(jù)手套的遙操作多指靈巧手

張鵬程 劉森 錢靖 安鵬宇 賈孟璇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.001

摘 要：為了以更直觀的方式控制仿人機(jī)械手，提高仿人機(jī)械手的操作性能，該文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)手套的遙操作多指靈巧手控制系統(tǒng)。提出了數(shù)據(jù)手套通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和MSP430單片機(jī)對(duì)多自由度多指靈巧手進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的方案。該方案通過(guò)多指靈巧手與數(shù)據(jù)手套的結(jié)合提高了該系統(tǒng)的控制精度與交互性。該文將從設(shè)計(jì)方案的各個(gè)模塊和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明基于數(shù)據(jù)手套的遙操作多指靈巧手控制系統(tǒng)的先進(jìn)性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)手套 多指靈巧手 MSP430 遙操作

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（a）-0001-03

隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，機(jī)器人作業(yè)的任務(wù)和環(huán)境的復(fù)雜性不斷地增加，仿人機(jī)械手作為機(jī)器人末端操作器，具有多自由度、多指協(xié)調(diào)、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，能滿足更靈巧以及精細(xì)的任務(wù)的要求。仿人機(jī)械手是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)，若采用傳統(tǒng)的操作者向控制器輸入指令的控制模式，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性和較好的交互性。而采用數(shù)據(jù)手套作為輸入，不僅能靈活的控制仿人機(jī)械手，而且具有自然、直觀、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是提高仿人機(jī)械手操作性能和作業(yè)水平的有效途徑[6]。

目前，在國(guó)外，有使用數(shù)據(jù)手套作為輸入設(shè)備，對(duì)機(jī)械手抓取操作控制等的研究，也有對(duì)手勢(shì)識(shí)別的研究[5]。在國(guó)內(nèi)，也有學(xué)者對(duì)相關(guān)方面的研究。該文采用的控制模式是操作者使用數(shù)據(jù)手套通過(guò)MSP430單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人，操作者通過(guò)改變數(shù)據(jù)手套的姿態(tài)對(duì)機(jī)械手做出相應(yīng)的調(diào)整。與傳統(tǒng)控制方法中操作者通過(guò)輸入運(yùn)動(dòng)指令的間接控制相比，這種直接的控制方法更加符合人類的操作習(xí)慣，它的操作簡(jiǎn)單、高效，大大提高了交互性。

1 系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)手套、多指靈巧機(jī)械手、MSP430單片機(jī)3個(gè)部分組成[9]，并在單片機(jī)和多指靈巧手上使用了一組無(wú)線模塊用來(lái)傳輸控制信號(hào)，從而在一定距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的遙操作。操作者通過(guò)改變數(shù)據(jù)手套的姿態(tài)，MSP430單片機(jī)可對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM波信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞娇刂茩C(jī)械手手指舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手套姿態(tài)的跟蹤[7]。

2 原理與設(shè)計(jì)

多指靈巧機(jī)械手有如下幾個(gè)方面[1]。

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

該文所使用的靈巧手是在參考人手骨骼特點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種具有適應(yīng)性的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。整個(gè)機(jī)械手由手掌、手指以及各個(gè)手指的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和回復(fù)機(jī)構(gòu)組成，具多個(gè)自由度，能完成人手的簡(jiǎn)單抓握?？紤]到與人手外觀的相似性，采用了五指的形式。其中拇指具有與人手拇指相同的機(jī)構(gòu)，其余四指各具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，根關(guān)節(jié)不具有擺動(dòng)自由度（圖1、圖2）。

2.2 控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)械手采用航模中的舵機(jī)作為動(dòng)力，結(jié)合單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)5個(gè)手指的分別控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)靈巧手進(jìn)行多自由度控制。舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋比例電位器、直流電機(jī)、控制電路板組成?？刂齐娐钒褰邮軄?lái)自控制端口的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出軸。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋比例電位器是相連的，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋比例電位器，轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋到控制電路板，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，達(dá)到目標(biāo)后停止。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

該文設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)手套的遙操作多指靈巧手，擁有能完整完成人手復(fù)雜動(dòng)作的能力。已經(jīng)從數(shù)據(jù)手套發(fā)送數(shù)據(jù)和機(jī)械手能夠完整完成人的動(dòng)作兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 驗(yàn)證手套發(fā)送數(shù)據(jù)

由于數(shù)據(jù)手套是由5個(gè)應(yīng)變片、一個(gè)微控制器組成的，它向外輸出TTL信號(hào)，所以，在完成供電準(zhǔn)備之后，使用CP2102模塊轉(zhuǎn)對(duì)其信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

可以看到數(shù)據(jù)成0xFF，Data1，Data2，Data3，Data4，Data5，0xF0形式，每一組數(shù)據(jù)由0xFF開(kāi)始，以0xF0結(jié)尾，中間每一個(gè)Data都代表了手指的彎曲程度（如圖3）。

通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著手指彎曲得到的數(shù)據(jù)也會(huì)改變，我們彎曲的這種程度可以讓數(shù)據(jù)從0x38變化到0x4A左右。

3.2 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該文所述系統(tǒng)的功能，我們按照上文所述進(jìn)行實(shí)際搭建并完成了相應(yīng)控制程序的編寫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文所述的基于數(shù)據(jù)手套的遙操作機(jī)械手系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)多指靈巧機(jī)械手對(duì)操作者手部動(dòng)作的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確跟蹤，并具有在一定范圍內(nèi)的遙操作功能。

單個(gè)手指動(dòng)作控制如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于數(shù)據(jù)手套的多指靈巧手，可以實(shí)現(xiàn)人手實(shí)時(shí)操控機(jī)械手的功能，并且我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的手指彎曲極限程度接近人手，模仿精度較高，可以?shī)A起一些很輕的物體。并且由于無(wú)線傳輸模塊的加入，可以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的遙操作功能，提高了機(jī)械手的實(shí)用性。與傳統(tǒng)的機(jī)械手控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有體積小、可進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作、操作簡(jiǎn)單直觀的優(yōu)點(diǎn)，具有較為廣泛的應(yīng)用前景，在未來(lái)還有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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