基于仿生原理的殘疾人機(jī)械臂設(shè)計(jì)

陳紅友 高翔宇

摘 ?要：智能化產(chǎn)品的發(fā)展為殘疾人的生活帶來(lái)了便利，本設(shè)計(jì)是根據(jù)仿生原理，以STM32單片機(jī)作為核心，使用三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀對(duì)手臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)NRF2.4G傳輸信號(hào)，驅(qū)動(dòng)多路數(shù)字舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與人體手臂動(dòng)作的同步，以達(dá)到控制機(jī)械臂能夠同步做出人體手臂動(dòng)作的目的。經(jīng)過(guò)硬件制作和軟件調(diào)試，結(jié)果表明，該基于仿生原理設(shè)計(jì)的殘疾人機(jī)械臂能夠幫助手臂殘障的人士能如同正常人一般的生活。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);仿生原理;殘疾人;機(jī)械臂;陀螺儀

引 言

據(jù)第六次全國(guó)人口普查統(tǒng)計(jì)，肢體殘疾人高達(dá)2472萬(wàn)，因此對(duì)基于仿生原理的殘疾人機(jī)械臂設(shè)計(jì)的研究有一定的現(xiàn)實(shí)意義。仿生機(jī)械臂是通過(guò)對(duì)人類手臂的模仿，創(chuàng)造出的一種能夠?qū)崿F(xiàn)將手爪移動(dòng)到所需位置和承受抓取工件的重量，以及手臂本身的重量等目的的機(jī)械裝置。仿生機(jī)械臂是仿人學(xué)與機(jī)械臂領(lǐng)域應(yīng)用需求的結(jié)合產(chǎn)物，從機(jī)械臂的角度來(lái)看，仿人機(jī)械臂則是機(jī)器人發(fā)展的高級(jí)階段，其生物特性為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了許多有益的參考，使得機(jī)器人可以從生物體上學(xué)習(xí)如自適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)多樣性和靈活性等一系列良好的性能。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)整體框架

該機(jī)械臂利用藍(lán)牙模塊，陀螺儀傳感器模塊、AD模塊、LCD顯示模塊、時(shí)鐘模塊、舵機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化跟隨人手臂的運(yùn)動(dòng)，陀螺儀傳感器傳感器感應(yīng)X、Y、Z三角度的變化，A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所得數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，時(shí)鐘模塊用來(lái)計(jì)算并顯示時(shí)間，最后將得出的結(jié)果發(fā)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示，兩個(gè)藍(lán)牙模塊相互通訊，用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

考慮到功能實(shí)現(xiàn)與響應(yīng)時(shí)間，我們選擇采用兩塊STM32F103C8T6作為控制系統(tǒng)和機(jī)械臂的主控芯片，控制系統(tǒng)以5V鋰電池為供電單元，JY-901九軸陀螺儀傳感器將采集到的角度信號(hào)傳送給ADC0832，ADC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，然后把數(shù)據(jù)通過(guò)LCD屏幕顯示出來(lái)，再以200ms為時(shí)間間隔傳輸數(shù)據(jù)給機(jī)械臂。由于本次課題設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，本次設(shè)計(jì)選擇的藍(lán)牙模塊是HC-05模塊，HC-05 是一款高性能的從機(jī)藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP 等智能終端配對(duì)，HC-05藍(lán)牙模塊支持很大的波特率范圍：1200～115200，并且模塊兼容 5V 或 3.3V 單片機(jī)系統(tǒng)，使用非常靈活、方便。通過(guò)發(fā)送相應(yīng)控制代碼，使機(jī)械臂能夠準(zhǔn)確的接收當(dāng)前角度的數(shù)據(jù)。機(jī)械臂接收到數(shù)據(jù)之后，使用PID算法使機(jī)械臂快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行。

1.2系統(tǒng)原理

該設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送端通過(guò)陀螺儀實(shí)時(shí)測(cè)量三維角度，角速度計(jì)算公式為：

滾轉(zhuǎn)角（x 軸）Roll=（（RollH<<8）|RollL）/32768*180°

俯仰角（y 軸）Pitch=（（PitchH<<8）|PitchL）/32768*180°

偏航角（z 軸）Yaw=（（YawH<<8）|YawL）/32768*180°

得到三維角度之后，單片機(jī)會(huì)將測(cè)量的角度顯示在LCD顯示屏上，并且每200ms把數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)接收端。

數(shù)據(jù)接收端接收到數(shù)據(jù)之后，對(duì)比當(dāng)前的數(shù)值和前一次接收到的數(shù)據(jù)，計(jì)算其中的差值，計(jì)算好之后，使用PID算法使機(jī)械臂能夠快速、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的空間位置。

2.軟件整體設(shè)計(jì)

該機(jī)械臂的整個(gè)程序的思路是：角度信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)讀取角度的數(shù)字值，經(jīng)處理，然后將角度值送至液晶顯示器中進(jìn)行顯示，并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

MAIN.C

int main（void）

{

delay_init（）; ???? ?//延時(shí)函數(shù)初始化

LED_Init（）; ?//初始化與LED連接的硬件接口

uart_init（9600）; ? //串口初始化為115200

TIM_PWM_Init（1439，999）;//不分頻。PWM頻率=72000/（899+1）=80Khz

OLED_Init（）; //初始化OLED

OLED_Clear（）;

LED0=1;

DuoJi_Init（）; // 舵機(jī)初始化

while（1）

{

Usart_Init（）; // 串口初始化

}

}

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果分析

本設(shè)計(jì)采用了STM32單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的微控制器，在實(shí)現(xiàn)全部功能的同時(shí)極大的降低了成本，與其他微控制器相比，成優(yōu)勢(shì)較高，采用了以ADC0832芯片為核心的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，保證了信息的傳輸。采用了高性能的陀螺儀，能夠感受到角度的輕微變化。而且加入了時(shí)鐘模塊，時(shí)鐘模塊采用內(nèi)部供電的方式，給殘疾人提供了極大的方便。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，操作簡(jiǎn)單方便，為機(jī)械臂系統(tǒng)更加出色的完成任務(wù)提供了無(wú)限可能，又具有藍(lán)牙模塊，適用于遠(yuǎn)距離的調(diào)控，即數(shù)據(jù)的傳輸。

4.結(jié)語(yǔ)

（1）本文設(shè)計(jì)采用高度集成化的A/D轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)和液晶顯示模塊。大大簡(jiǎn)化了硬件電路，顯著降低了電路板的體積和成本。

（2）電壓信號(hào)采集芯片ADC0832是系統(tǒng)正確工作的首要前提，為確保模擬信號(hào)的可靠采集，采集前需使用集成運(yùn)放將傳感器信號(hào)放大。

（3）本系統(tǒng)不需要上位機(jī)的控制信號(hào)，在實(shí)際運(yùn)行中更加貼近生活，達(dá)到較好的控制效果。

（4）本機(jī)械臂的控制系統(tǒng)體積小、檢測(cè)精度高且成本很低。適宜機(jī)械臂使用。

參考文獻(xiàn)

[1] ?齊楊.六軸工業(yè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D];碩士學(xué)位論文;廣西：廣西科技大學(xué)，2019.5.

[2] ?馬宇豪.六自由度機(jī)械臂避障軌跡規(guī)劃及控制算法研究[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué);碩士學(xué)位論文.北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2019.5.

[3] ?王春榮.運(yùn)用SolidWorks與ANSYS的仿人機(jī)械臂設(shè)計(jì)與分析[J];三明學(xué)院學(xué)報(bào);2020年04期.

作者簡(jiǎn)介：陳紅友（1986-），男，河南省洛陽(yáng)市人，碩士研究生，項(xiàng)目導(dǎo)師;

高翔宇（1996-），男，河南省周口市人，本科生，項(xiàng)目主持人。

基金項(xiàng)目：河南省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201912746007）