無線同步仿生機(jī)械手設(shè)計

白子康，盧 高，李昊鵬

（北京科技大學(xué)天津?qū)W院 信息工程學(xué)院，天津 301800）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各個行業(yè)開始逐漸形成自動化、智能化、信息化和精細(xì)化模式。以往的人工操作生產(chǎn)方式已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前社會發(fā)展需求[1-4]。當(dāng)前，人工智能技術(shù)得到飛速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中引入人工智能技術(shù)可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工操作生產(chǎn)方式的不足[5-7]。迄今為止，在機(jī)械臂的控制領(lǐng)域中，操縱方式一類為按鍵控制；另一類則需要多個控制桿來控制，設(shè)計繁瑣，不易操作，一定程度上限制了機(jī)械臂的推廣和使用。同步仿生機(jī)械臂能運(yùn)用在高溫、高壓、高污染或是具有一定放射性的惡劣生產(chǎn)環(huán)境當(dāng)中，具有控制靈活和操縱簡單的特點，兼有人的行為意識和機(jī)械手的作業(yè)效能，已經(jīng)成為當(dāng)今世界科研領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域的熱門研究方向[8-10]。

1 機(jī)械模型設(shè)計

1.1 機(jī)械手部分

機(jī)械手結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)模型

在機(jī)械手的設(shè)計部分，每個關(guān)節(jié)分別為單獨(dú)模塊，主要為指關(guān)節(jié)、手掌等部分共21個零件；每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動通過細(xì)鋼絲繩來模擬人手經(jīng)絡(luò)牽引實現(xiàn)；每根手指由兩根軟鋼絲繩來牽引，以此實現(xiàn)手指的彎曲、伸張和固定；在手掌和關(guān)節(jié)處留有固定且合理的出口和進(jìn)口，用于鋼絲繩的固定和牽引。該設(shè)計方案可以提高機(jī)械手的靈活性和穩(wěn)定性，更加有利于模擬人手的操作。

在機(jī)械手臂設(shè)計部分，主要為了實現(xiàn)存放和固定舵機(jī)、電路板，以及支撐機(jī)械手。設(shè)計時在其內(nèi)部添加多處支撐部分用于保證舵機(jī)和電路板的穩(wěn)定。

在腕關(guān)節(jié)處使用齒輪和舵機(jī)組合，用于實現(xiàn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動，在內(nèi)部使用細(xì)小鋁管段分別固定在手臂殼體、舵機(jī)等位置，一方面能夠固定鋼絲繩運(yùn)動的路徑，另一方面也能夠防止鋼絲在內(nèi)部運(yùn)動時與內(nèi)部的結(jié)構(gòu)摩擦以及與鋼絲纏繞。在舵機(jī)轉(zhuǎn)頭處安裝了帶凹槽的滑輪，這樣可以固定鋼絲繩的走向，使得舵機(jī)能夠更加穩(wěn)定地提供動力，保證手指有足夠的抓力。該種設(shè)計方案可提高設(shè)備的靈活性、可持續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.2 體感機(jī)械手套部分

如圖2所示，體感機(jī)械手套部分的設(shè)計是通過對普通手套進(jìn)行縫制而改裝的，在每個手指背部使用彈性布料縫制一個小口袋用于存放flex傳感器。這樣的設(shè)計有利于傳感器的彎曲，也能夠保證傳感器不會左右滑動，大大提高手指彎曲精度，即在使用的時候手指能夠靈活地彎曲，更加方便操作和使用。

圖2 體感機(jī)械手套結(jié)構(gòu)模型

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計框圖

2.1 發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計

發(fā)射機(jī)部分需要完成對人體手部動作的檢測，通過無線發(fā)射模塊向接收機(jī)發(fā)送實時的手部動作信息，該部分由角度檢測模塊、微控制器、電源模塊、藍(lán)牙發(fā)送模塊組成。角度檢測傳感器采用flex傳感器，通過手指彎曲來改變傳感器阻值，將阻值的變化轉(zhuǎn)為模擬電壓值的變化；再通過微控制器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化電壓值，以此達(dá)到對手部動作信息的采集和保存；之后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過藍(lán)牙傳輸協(xié)議發(fā)送至接收機(jī)。

ESP32是一款集成2.4 GHz WiFi和藍(lán)牙4.0雙模的物聯(lián)網(wǎng)芯片，能夠很好地滿足設(shè)備對藍(lán)牙的使用需求。但是ESP32在使用藍(lán)牙的情況下ADC2模塊失效，只有4個模擬引腳能夠使用。因此使用ESP32作為主控芯片、Arduino Nano作為數(shù)據(jù)采集模塊。

電源模塊采用兩種方式供電：獨(dú)立電源供電和Type-c數(shù)據(jù)線直接對設(shè)備進(jìn)行供電。電路如圖4所示。

圖4 電源模塊電路

2.2 接收機(jī)硬件設(shè)計

接收機(jī)是整個設(shè)備的執(zhí)行部分，主要由機(jī)械手臂模塊、電機(jī)模塊、無線接收模塊、電源和微控制器構(gòu)成。

電機(jī)模塊采用MG996R舵機(jī)，舵機(jī)驅(qū)動電路如圖5所示。MG996R舵機(jī)扭矩為15 kg·cm，轉(zhuǎn)速為0.14 s/60°（6 V無負(fù)載），能夠滿足該設(shè)計的要求。ESP32的輸出電壓值為5 V，雖然可以滿足電機(jī)的驅(qū)動，但其輸出功率低，無法直接驅(qū)動多個電機(jī)運(yùn)行。因此，采用電源模塊直接為舵機(jī)供電，通過ESP32輸出PWM信號來控制舵機(jī)。為了防止電機(jī)的電流倒灌，導(dǎo)致單片機(jī)損壞，采用MOS管進(jìn)行反向隔離升壓，保證電機(jī)和設(shè)備的穩(wěn)定工作。

圖5 舵機(jī)驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計

3.1 發(fā)射機(jī)軟件設(shè)計

發(fā)射機(jī)軟件部分主要負(fù)責(zé)采集手部的運(yùn)動情況，然后通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收機(jī)。數(shù)據(jù)采集通過Arduino Nano單片機(jī)實現(xiàn)，首先對單片機(jī)進(jìn)行串口初始化和IO初始化配置，與ESP32進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將采集到的數(shù)據(jù)通過串口同步發(fā)送至藍(lán)牙發(fā)送模塊。藍(lán)牙發(fā)送模塊使用的是ESP32，在藍(lán)牙初始化中需要配置藍(lán)牙服務(wù)ID和特征ID，特征ID用于搜索時進(jìn)行識別，藍(lán)牙服務(wù)ID用于藍(lán)牙配對以及藍(lán)牙之間的數(shù)據(jù)傳輸。流程如圖6所示。

圖6 發(fā)射機(jī)軟件設(shè)計流程

3.2 接收機(jī)軟件設(shè)計

接收機(jī)軟件部分是整個系統(tǒng)最重要的部分，負(fù)責(zé)控制機(jī)械臂的運(yùn)動，首先將設(shè)備自身進(jìn)行廣播使其他設(shè)備可以掃描到，當(dāng)有其他設(shè)備與該設(shè)備配對時，關(guān)閉廣播、連接設(shè)備并且讀取設(shè)備數(shù)據(jù)，在讀取到的數(shù)據(jù)中提取每個手指的動作參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動的角度。流程如圖7所示。

圖7 接收機(jī)軟件設(shè)計流程

在設(shè)備剛啟動時需要佩戴體感手套握緊雙手，然后再打開手掌，反復(fù)兩次以校對參數(shù)，獲取該使用者使用時每個手指的最大和最小彎曲參數(shù)值；再通過該函數(shù)輸入每個舵機(jī)可轉(zhuǎn)動的最大和最小值、對應(yīng)手指的最大和最小彎曲參數(shù)值以及當(dāng)前的彎曲參數(shù)值，計算得出對應(yīng)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動的角度，這樣做對每個使用者都能夠自動適配，提高機(jī)械臂的準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)測試

本設(shè)計主要是通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收機(jī)，接收機(jī)在讀到的數(shù)據(jù)中提取每個手指動作參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)舵機(jī)所需要轉(zhuǎn)動的角度，所以傳輸距離、舵機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度、仿生機(jī)械手自由度結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)手套上傳感器的長度都會存在實驗誤差，為此進(jìn)行了無線同步仿生機(jī)械手的靈敏度測試與抓取測試。

4.1 抓取測試

無線同步仿生機(jī)械手的5根手指在直立狀態(tài)下開始運(yùn)動，同步抓取各種物體，結(jié)果如圖8所示。

圖8 抓取測試

在抓取硬材料物體過程中，5根手指同時反應(yīng)，在2 s內(nèi)迅速完成目標(biāo)物體抓取，而不同手指運(yùn)動角度略有差異；抓取穩(wěn)定后，大拇指運(yùn)動角度最大。

4.2 靈敏度測試

由表1的靈敏度測試結(jié)果可看出，受距離因素影響也會產(chǎn)生實驗誤差，如小拇指的靈敏度因舵機(jī)位置不同而產(chǎn)生較大誤差。這是由于仿生機(jī)械手自由度結(jié)構(gòu)原因?qū)е抡w誤差產(chǎn)生，進(jìn)而造成在抓取過程中也有一定誤差。

表1 靈敏度測試

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于ESP32的無線同步仿生機(jī)械手實現(xiàn)了無線控制。通過機(jī)械手套采集信息，并采用無線發(fā)射模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；仿生機(jī)械手接收到數(shù)據(jù)后開始執(zhí)行，利用五個舵機(jī)控制五根手指的運(yùn)動，從而實現(xiàn)對仿生機(jī)械手的遠(yuǎn)程操作，實現(xiàn)了一種具有同步功能的無線同步機(jī)械手臂。

在實際的操作過程中，無線同步仿生機(jī)械手可以代替人類完成一些復(fù)雜情況下的任務(wù)，從而確保工作人員自身的生命安全。例如航空航天領(lǐng)域可以利用仿生手在太空中完成一些危險任務(wù)；在化工、生物領(lǐng)域可以完成危險的生物化學(xué)項目。同時仿生手也可以為殘疾人提供許多便利，為健全的人提供一種全新的生活服務(wù)。