基于同步仿生手掌的機械手研發(fā)與應(yīng)用★

宮立達

（閩南理工學(xué)院 實踐教學(xué)中心， 福建 石獅 362700）

1 研究意義

仿生手于1963 年作為假肢產(chǎn)品被研發(fā)出來，隨著技術(shù)的發(fā)展，單純的手工勞作已滿足不了工業(yè)自動化的要求，這種思想現(xiàn)在逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樵谏詈Ｌ綔y、戰(zhàn)場排雷、核料搬運以及航天設(shè)備檢修等會給現(xiàn)場操作人員帶來危害的高危操作場合替代人的機械手。在機械行業(yè)中，它主要用于零部件的組裝及在組合機床上被使用。但是機械手在實際使用時由于不同控制對象獨有特點會產(chǎn)生控制不精確，操作存在偏差等問題，所以研究一款能夠按照人腦思想通過同步仿生手發(fā)出控制命令，讓機械手通過接受仿生手發(fā)送的命令來完成人想讓機械手完成的任務(wù)具有十分重要的意義[1]。

2 研究內(nèi)容

2.1 總體設(shè)計方案

本文研究的同步仿生機械手是通過接受由人腦控制的仿生手的指令來完成操作任務(wù)的。仿生手掌的主從控制通過測量人手運動時表面肌電信號得到人手指關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)，進一步得出手掌動作的運動角度，然后將數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)發(fā)送給同步仿生機械手的驅(qū)動器，驅(qū)動器通過步進電機來驅(qū)動機械手完成相同的指令動作。本設(shè)計里面增加多組驅(qū)動裝置，使機械手不僅可以旋轉(zhuǎn)還可以上下運動，旋轉(zhuǎn)底座和手腕結(jié)構(gòu)采用金屬齒輪舵機增加扭矩，采用微型舵機實現(xiàn)五指獨立運動。在機械手下方增加真空吸盤使機械手更加穩(wěn)定[2]。

2.2 控制技術(shù)分析選擇

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用繼電接觸器控制，不僅觸點多而且接線復(fù)雜，可靠性較差；PLC 控制更適合于大型的工業(yè)流程控制；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制效果較好卻又十分依賴被控對象精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制雖然不依賴數(shù)學(xué)模型，但是控制精度又不高，為了實現(xiàn)機械手控制的準(zhǔn)確性、可靠性，由于單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，本文選擇STM32 型號單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收法、處理、儲存等的主芯片[3]。

3 具體設(shè)計

本設(shè)計中仿生手通過電位采集感應(yīng)器檢測先到手指關(guān)節(jié)的動作，然后通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給同步仿生機械手的驅(qū)動器，主控制器通過USB 串口接收仿生手發(fā)出的運動指令，驗證運動指令的正確性后，把運動數(shù)據(jù)分配給20 個步進電機的驅(qū)動芯片，控制步進電機轉(zhuǎn)動。步進電機與關(guān)節(jié)的對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 電機與關(guān)節(jié)對應(yīng)關(guān)系

本設(shè)計選擇STM32F103C8T6 芯片，相比于其他型號的芯片，它是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32 系列的32 位的微控制器，程序存儲器容量是64 kB，需要電壓 2～3.6 V，工作溫度為 -40～85 ℃，見圖1。

為了更好地實現(xiàn)對仿生機械手的控制，對手部動作的測量十分重要，需要很高的檢測精度，本設(shè)計采用電位采集感應(yīng)器來對手指的彎曲程度進行測量，將測量的信號進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，然后將信號通過藍(lán)牙或USB 接口發(fā)送給機械手，驅(qū)動機械手完成動作[4]，見圖2。

圖1 單片機主電路

圖2 傳感器接口電路

為了將仿生手的測量與機械手進行連接，本設(shè)計使用VC++10.0 平臺，編寫串口通信程序，通過RS-232C 串口，把符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送給集成電路板的主控器。并采用藍(lán)牙串口實現(xiàn)信號的無線傳輸，見圖3、圖4[4]，人手動作發(fā)送運動指令的速度要與主控制器接收運動指令的速度相同，以避免運動指令的丟失或堆積，保證步進電機運動的實時性和精確性[6]。

圖3 藍(lán)牙電路

圖4 USB 接口電路

4 結(jié)論

為了改善傳統(tǒng)機械手只能完成單一任務(wù)的不足之處，本文設(shè)計了一款能夠根據(jù)人的動作即人手動作發(fā)出指令完成相關(guān)指令的同步仿生手掌的機械手。采用單片機作為主要芯片，當(dāng)傳感器檢測到指關(guān)節(jié)動作時，通過藍(lán)牙或USB 以及相關(guān)協(xié)議實現(xiàn)通信對接，對應(yīng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動步進電動機接收到信號完成指定的動作。本次設(shè)計里面增加多組驅(qū)動裝置，使機械手不僅可以旋轉(zhuǎn)還可以上下運動，從而達到設(shè)計出來的仿生機械手的動作比一般的機械手更加靈活，控制效果更好的目的。