一種仿人形機械手的設(shè)計與仿真

李子揚　袁夢琦　張嘉洋　王鐘慧　朱炫

摘要：對一種手指為單自由度結(jié)構(gòu)的仿人形機械手進行了研究。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了機械手的機械結(jié)構(gòu)，進行了手指運動學分析與仿真;以單片機STM32F103作為主控器設(shè)計了控制系統(tǒng)。研究表明，設(shè)計的機械手各關(guān)節(jié)運動平穩(wěn)，動作靈活，控制流暢，達到了預(yù)期的要求。

關(guān)鍵詞：機械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計;控制系統(tǒng)

0 引言

如今工業(yè)機械手已經(jīng)被大規(guī)模用于從事重復(fù)性高、任務(wù)繁重的工作，此類機械手的特點是工作環(huán)境較為固定，執(zhí)行動作單一。但是，很多其他領(lǐng)域仍然需要人手才能完成任務(wù)，例如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、建筑工程、宇宙及海洋的開發(fā)等方面，需要依靠人手的靈活與人的決策，而工業(yè)機械手難以勝任。因此，人們迫切需要類似人手的多指靈巧機械手來完成上述作業(yè)[1]。

國外對仿人形機械手的研究比較早，目前已經(jīng)取得了較多成果，比如Pisa/IIT Soft Hand機械手[2]、日本立命館大學研究的機械手[3]、德國企業(yè)Ottobock設(shè)計的bebionic hand[4]等。而國內(nèi)從20世紀70年代后期才開始對仿人形機械手展開研究，主要集中在一些高校和科研機構(gòu)，例如清華大學的手勢多變欠驅(qū)動（GCUA）機械手[5]和哈爾濱工業(yè)大學的HIT/DLR Ⅰ、Ⅱ多指靈巧機械手[6]等。盡管國內(nèi)外學者已對仿人形機械手做了大量研究，但仿人形機械手還存在著一系列問題，例如價格昂貴，實時性不理想，設(shè)備笨重，多數(shù)處于研究階段，市場化程度較低等，這些都制約了其在實際中的應(yīng)用，使其未能大規(guī)模普及[1，7]。

本文提出的仿人形機械手采用單自由度結(jié)構(gòu)，用5個電機分別對5個手指進行控制，并通過連桿式機構(gòu)進行驅(qū)動;通過單片機控制舵機控制板實現(xiàn)統(tǒng)一發(fā)送指令控制舵機運動，并設(shè)計了上位機軟件來控制仿人形機械手。同時，本文提出了一個更便捷的人機交互方式，使仿人形機械手更加符合人類的操作習慣，簡單高效;在機械與控制兩方面優(yōu)化了機械手的運動功能，大大提高了機械手的控制精度與靈活度。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使控制更加簡便，本設(shè)計采用5個電機分別對5個手指進行控制，每一根手指均采用單自由度結(jié)構(gòu)?？紤]到機械手手部空間位置的限制，設(shè)計的機械手通過連桿式機構(gòu)與舵機相連進行驅(qū)動。機械手三維模型如圖1所示。

為了實現(xiàn)手指的彎曲功能，設(shè)計了如圖2所示的連桿機構(gòu)來實現(xiàn)手指彎曲。

各連桿桿長參數(shù)如表1所示。

1.1? ? 仿人形機械手手指運動學分析

如圖3所示，對于連桿I-G-C-D，連桿角度β1=106.59°，β2=82.50°;對于連桿B-C-F，連桿角度β3=183.12°;對于連桿E-F-H，連桿角度β4=156.04°。

對該連桿機構(gòu)建立閉環(huán)矢量方程如下：

1.2? ? 仿人形機械手手指運動學仿真

設(shè)置手指末端從-40°～40°，在MATLAB中對上一小節(jié)建立的運動學模型進行仿真分析，得到機械手手指末端的運動軌跡如圖4所示。

設(shè)定連桿的初始角度為-30°，主動連桿以10（°）/s的速度勻速轉(zhuǎn)動，仿真時間為5 s，仿真積分步長為0.01 s，將在SOLIDWORKS中構(gòu)建的連桿三維模型導(dǎo)入到ADAMS中進行運動學仿真，得到單自由度手指連桿機構(gòu)各個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角、關(guān)節(jié)角速度、關(guān)節(jié)角加速度、指尖運動軌跡以及手指幾何構(gòu)型的仿真結(jié)果，如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

由圖5、圖6、圖7可以看出，在5 s仿真時間內(nèi)，連桿機構(gòu)各個關(guān)節(jié)角位移、角速度、角加速度曲線光滑，連桿機構(gòu)運動平穩(wěn)，即不會給電機造成沖擊。

由圖8可以看出，基于該連桿機構(gòu)的手指末端運動實現(xiàn)了預(yù)期的圓弧軌跡，該圓弧軌跡與先前MATLAB基于理論關(guān)系式計算出的軌跡基本上一致。同時由仿真動畫可知，該模型可以很好地實現(xiàn)手指的彎曲，多個手指共同運動時，即可實現(xiàn)機械手的握持功能，而且在運動過程中，各個連桿運動較為平穩(wěn)，滿足控制要求。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

為了控制機械手執(zhí)行指定的動作，設(shè)計控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

2.1? ? 硬件設(shè)計

根據(jù)控制需求，本文采用上、下位機的控制結(jié)構(gòu)，上位機選用PC機，用于完成運動指令輸入、舵機速度設(shè)置等功能;下位機選用單片機，用于完成上位機指令的解讀和傳輸，實現(xiàn)對機械手的控制?？刂七^程主要分為兩步：（1）系統(tǒng)初始化后，由上位機發(fā)送運動指令給STM32單片機;（2）運動指令經(jīng)單片機和舵機控制板處理之后發(fā)送給舵機，從而控制機械手做出相應(yīng)動作。在此期間，通過傳感器采樣來檢測系統(tǒng)是否正常運行以及判斷任務(wù)是否完成。

經(jīng)綜合考慮，本文選用單片機STM32F103作為主控芯片，這種芯片性能較好，運算速度較快，且內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和多個I/O接口，能夠輸出多路PWM波，也能對多個傳感器的數(shù)據(jù)進行采集和計算。主控電路的時鐘電路采用8 MHz外部晶振作為時鐘源，還包含32.768 kHz的RTC時鐘，可以方便地拓展電路[8]。另外，為了防止可能出現(xiàn)的故障，控制板上還設(shè)置了手動復(fù)位按鈕。

本文選用MG995舵機來驅(qū)動機械手，數(shù)量為5個。這種舵機尺寸較小，重量較輕，方便通過PWM芯片進行控制。選用精密旋鈕電位器作為角度傳感器，其型號為SV01A103AEA01，采用DC5 V電壓供電，線性精度±2%，有效旋轉(zhuǎn)角度333.3°，總電阻值10 kΩ。

為了便于控制舵機，本文采用舵機控制板對舵機進行指令的統(tǒng)一傳送?？刂茣r由主控芯片將指令轉(zhuǎn)化為規(guī)定格式后通過串口發(fā)送給控制板，再由控制板經(jīng)不同通道對5個舵機同時發(fā)送控制指令。控制板由3個L293D芯片組成，每個芯片可控制2個舵機，因此可以預(yù)留出一路舵機接口備用。為了保證電路正常運行，控制板上還集成了電壓電流傳感器，用于監(jiān)測電路功率，防止過載。

2.2? ? 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)采用PID控制策略完成對舵機的控制，控制過程如圖10所示。

下位機軟件基于Keil 4開發(fā)平臺開發(fā)，采用C語言進行編程。系統(tǒng)上電后首先進行初始化，接收上位機傳來的對機械手的控制指令。上位機與STM32單片機之間采用串口通信，設(shè)定每100 ms發(fā)送一次控制指令，以免造成控制指令堆積。然后STM32單片機對所得指令進行處理，發(fā)送給舵機控制板，再由舵機控制板控制舵機運轉(zhuǎn)相應(yīng)角度。傳感器檢測到運動完成之后，發(fā)送反饋信息給單片機，單片機隨后進入中斷程序。當新的指令來臨，中斷結(jié)束。

上位機軟件采用Qt來設(shè)計。Qt是常用的C++軟件開發(fā)庫，組件豐富，拓展性高。開發(fā)的上位機軟件主要功能有對手指正逆運動學的計算，與STM32單片機和舵機控制板進行串口通信，發(fā)送控制指令等。

上位機的軟件界面如圖11所示。

該界面主要分為單指操作和多指協(xié)作兩部分，使用時點擊“開始”，然后根據(jù)動作要求點擊“單指操作”或“多指協(xié)作”，拉動滑塊即可對規(guī)定的手指進行控制。界面最右端可以通過調(diào)節(jié)發(fā)送給舵機的占空比來調(diào)節(jié)舵機運行的速度，達到舵機能夠較為精確地移動到位的目的。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種采用單自由度結(jié)構(gòu)、由連桿機構(gòu)進行驅(qū)動的機械手，采用5個電機分別對5個手指進行控制，優(yōu)化了機械手的驅(qū)動和傳導(dǎo)。對設(shè)計的機械手進行仿真和調(diào)試，結(jié)果表明，設(shè)計的機械手在操作時，連桿機構(gòu)各個關(guān)節(jié)運動平穩(wěn)，能實現(xiàn)預(yù)期的圓弧軌跡。同時，在機械手實現(xiàn)握持時，連桿機構(gòu)的運動也較為平穩(wěn)，能夠滿足預(yù)期的控制要求。機械手的控制系統(tǒng)能夠?qū)?個舵機同時發(fā)送控制指令，并監(jiān)控電路功率，防止運行過載。在軟件上，設(shè)計的仿人形機械手采用Qt進行開發(fā)，使得上位機軟件具有良好的可拓展性，從而能夠更好地適應(yīng)未來的硬件更新需求。

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收稿日期：2021-02-24

作者簡介：李子揚（1999—），男，江蘇濱海人，研究方向：機械電子工程。