宋小瑛 ，肖金鳳 ，傅艦艇 ，李 耀

（1.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，衡陽(yáng) 421001；2.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714）

多關(guān)節(jié)靈巧手主從遙操作控制的控制策略是決定靈巧手抓持精度的關(guān)鍵因素。要實(shí)現(xiàn)高精度遙操作控制，需解決2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是主操作端運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，如何獲得精確人手運(yùn)動(dòng)信息 （關(guān)節(jié)角度等），這是靈巧手主從遙操作控制的核心問(wèn)題[1]；二是高精度映射方法的選取。對(duì)問(wèn)題一，數(shù)據(jù)手套因具有佩戴方便、安全、靈活性強(qiáng)、受環(huán)境干擾小、識(shí)別率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為人手運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)的最佳和最常用設(shè)備[2]。對(duì)問(wèn)題二，大量學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，提出了關(guān)節(jié)空間映射方法、指尖位置映射方法、基于特征點(diǎn)集的靈巧手主從映射、基于虛擬手指的直角空間指尖運(yùn)動(dòng)映射方法等[3-5]。但研究表明，現(xiàn)有的主從遙操作控制方式，控制精度并不理想[6-9]。

本文采用Cyber Glove II無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)手套和壓敏電阻器作為主操作端信息檢測(cè)的硬件平臺(tái)，以自主設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)靈巧手為研究對(duì)象進(jìn)行主從遙操作控制系統(tǒng)研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1）靈巧手和物體間的作用力小于或等于0.28 N時(shí)，采用數(shù)據(jù)手套控制，精度較高；2）當(dāng)靈巧手和物體間的作用力大于0.28 N時(shí)，仍采用數(shù)據(jù)手套控制，精度很低，而利用壓力控制靈巧手的角度運(yùn)動(dòng)，精度提高。

本設(shè)計(jì)提出一種基于關(guān)節(jié)角度映射和指尖壓力控制相結(jié)合的混合控制方式，成功實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)靈巧手遙操作控制，實(shí)驗(yàn)表明該混合控制方法具有控制精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括運(yùn)動(dòng)信息獲取模塊、控制系統(tǒng)模塊及執(zhí)行端靈巧手3個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System assumption diagram

本設(shè)計(jì)采用的主操作端信息檢測(cè)的硬件平臺(tái)具有18個(gè)抗彎曲傳感器，每個(gè)傳感器測(cè)量為8位模數(shù)轉(zhuǎn)化，采樣率為90 Hz。其中，手指配備2個(gè)曲度傳感器，此外還有4個(gè)外展傳感器以及測(cè)量拇指交叉截面、手掌拱度、腕關(guān)節(jié)彎曲和外展的傳感器?？刂茖?duì)象為項(xiàng)目組自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人靈巧手。該手指設(shè)計(jì)為雙自由度，第一自由度關(guān)節(jié)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；第二自由度關(guān)節(jié)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)結(jié)合鋼絲繩傳動(dòng)。

系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)手套采集操作端關(guān)節(jié)角度信息，運(yùn)用FSR400采集壓力信息；采用串口通信方式將處理后的控制信號(hào)發(fā)送至靈巧手電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生相應(yīng)的 PWM（pulse-width modulation）控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)處的直流無(wú)刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)人手對(duì)靈巧手的主從遙操作控制。

1.2 壓力檢測(cè)與控制

本設(shè)計(jì)中壓力檢測(cè)采用具有瞬態(tài)電壓抑制功能的壓敏電阻器FSR400。當(dāng)壓力感測(cè)電阻器感應(yīng)面的壓力增加時(shí)，其阻抗就會(huì)減少，從而取得壓力數(shù)據(jù)。

壓力檢測(cè)與控制模塊主要包括壓力檢測(cè)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理3個(gè)部分。壓力檢測(cè)與控制電路如圖2所示。

圖2 壓力檢測(cè)與控制電路Fig.2 Pressure detection and control circuit

圖中，直流電橋電路將壓敏電阻器R4的電阻變化率ΔR4/R4轉(zhuǎn)換成電壓輸出。其中R1=R2=R3=R5=R6=10 k，R4為壓敏電阻器FSR400，用于獲取壓力數(shù)據(jù)。通過(guò)精密運(yùn)算放大器OP27將電橋輸出的電壓信號(hào)放大，16位AD轉(zhuǎn)換器AD7606將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，數(shù)據(jù)處理模塊采用32位微控制器STM32F103。人手指尖與靈巧手指尖都安裝壓敏電阻器，利用主從控制端的電壓差ΔU控制靈巧手的運(yùn)動(dòng)，直到ΔU=0時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 控制策略

2.1 混合控制

本系統(tǒng)中，人手部佩戴數(shù)據(jù)手套和壓力傳感器，食指在垂直平面內(nèi)做彎曲運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)靈巧手的遙操作控制。當(dāng)食指指尖與物體接觸產(chǎn)生的作用力小于或等于0.28 N時(shí)，系統(tǒng)遙操作主要由基于數(shù)據(jù)手套的關(guān)節(jié)角度控制來(lái)完成；當(dāng)食指指尖與物體接觸產(chǎn)生的作用力大于0.28 N時(shí)，系統(tǒng)遙操作主要由基于壓敏電阻器FSR400的壓力跟隨控制來(lái)完成?；旌峡刂圃砣鐖D3所示。

2.2 混合控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件流程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用一種簡(jiǎn)化的ActiveX控件MSComm（microsoft communications control）實(shí)現(xiàn)串口通信，采用2.4 GHz藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)，通信協(xié)議為RS-232，系統(tǒng)編程環(huán)境為Visual C++2010。控制系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖3 混合控制原理Fig.3 Hybrid control theory

圖4 控制系統(tǒng)流程Fig.4 Control flow chart

圖4中，F(xiàn)1為人手指尖的壓力值，F(xiàn)2為靈巧手端的壓力值，d為數(shù)據(jù)手套傳感器輸出值。采用關(guān)節(jié)角度控制和壓力跟隨控制相結(jié)合的控制方式，當(dāng)靈巧手手指末端處于自由空間或與環(huán)境接觸的作用力F1≤0.28 N時(shí)，系統(tǒng)工作于基于數(shù)據(jù)手套的關(guān)節(jié)角度控制模式。當(dāng)靈巧手指與環(huán)境接觸的作用力大于0.28 N時(shí)，系統(tǒng)工作于基于壓敏電阻器FSR400的壓力跟隨控制模式。

2.2.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)映射

建立 di（i=1，2，…18）和 θi（i=1，2，…18）之間的機(jī)械耦合映射關(guān)系為

式中：θ為手指每個(gè)關(guān)節(jié)角度數(shù)；k為矯正增益參數(shù)；d為數(shù)據(jù)手套對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)傳感器讀數(shù)（0～255）；b為偏差量，是通過(guò)標(biāo)定程序計(jì)算得出的矯正參數(shù)。將映射得出的對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)θ作為控制參數(shù)，發(fā)送給靈巧手端的處理模塊，實(shí)現(xiàn)人手到靈巧手間精確的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)映射。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 食指運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試對(duì)象佩戴數(shù)據(jù)手套，手掌朝下，食指在垂直平面內(nèi)做周期性的彎曲、伸展運(yùn)動(dòng)，其他手指和手掌關(guān)節(jié)保持不動(dòng)。將食指運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別標(biāo)記為C、D（OC=OD=6 cm），指掌關(guān)節(jié)和中指節(jié)關(guān)節(jié)分別標(biāo)記為A、B，在此不考慮關(guān)節(jié)A在水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)，3關(guān)節(jié)作平面鉸鏈運(yùn)動(dòng)，θ1、θ2分別為指掌關(guān)節(jié)和中指節(jié)關(guān)節(jié)的彎曲角度。垂直平面內(nèi)食指屈伸往返運(yùn)動(dòng)記為一個(gè)完整運(yùn)動(dòng)周期，食指運(yùn)動(dòng)示意如圖5所示。

圖5 垂直平面內(nèi)食指運(yùn)動(dòng)示意Fig.5 Forefinger’s movements in vertical plane

試驗(yàn)中測(cè)試對(duì)象分別完成3個(gè)運(yùn)動(dòng)周期T=1.5 s，5 s，7.6 s，每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)重復(fù)10次得到均值及方差，圖6～圖8為歸一化結(jié)果。圖6～圖8依次為T(mén)=1.5 s，5 s，7.6 s 3個(gè)不同運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)度下的關(guān)節(jié)軌跡曲線(xiàn)均值及方差。其中，實(shí)線(xiàn)1為指掌關(guān)節(jié)A的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)均值，記為A：a；虛線(xiàn)2為指掌關(guān)節(jié)A運(yùn)動(dòng)的方差，記為A：s；虛線(xiàn)3為中指節(jié)關(guān)節(jié)B的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)均值，記為B：a；虛線(xiàn)4為中指節(jié)關(guān)節(jié)B運(yùn)動(dòng)的方差，記為 B：s。 食指從 C（0，0）點(diǎn)開(kāi)始做彎曲運(yùn)動(dòng)到達(dá) D（x1，1）點(diǎn)，繼續(xù)從 D（x2，1）點(diǎn)做伸展運(yùn)動(dòng)回到C（1，0）點(diǎn)，完成一個(gè)周期的屈伸運(yùn)動(dòng)。圖 6～圖 8中，當(dāng) T=1.5 s時(shí)，x1=0.36，x2=0.7；當(dāng) T=5 s時(shí)，x1=0.43，x2=0.55；當(dāng) T=7.6 s時(shí)，x1=x2=0.5。其中，x2-x1表示食指從彎曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)的過(guò)度時(shí)間。

圖6 1.5 s關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)Fig.6 Joint’s movement curve of 1.5 s

圖7 5 s關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)Fig.7 Joint’s movement curve of 5 s

圖8 7.6 s關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)Fig.8 Joint’s movement curve of 7.6 s

由圖可見(jiàn)：①運(yùn)動(dòng)速度由快變慢的過(guò)程中，食指周期性屈伸運(yùn)動(dòng)的重復(fù)精度先增加后減小。當(dāng)T=5s時(shí)，均方誤差小于0.1，效果最好；隨著T的增大，運(yùn)動(dòng)速度繼續(xù)減慢，重復(fù)精度逐漸減小。②隨著運(yùn)動(dòng)速度的減慢，抖動(dòng)增強(qiáng)，曲線(xiàn)的平滑度變差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，手指運(yùn)動(dòng)時(shí)延特性與運(yùn)動(dòng)速度具有非線(xiàn)性增益關(guān)系。

3.2 力度控制

靈巧手指尖和數(shù)據(jù)手套食指指尖均安裝有壓力傳感器，將食指指尖與物體接觸產(chǎn)生的作用力由0 N增大至0.6 N，再減小至0 N記為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，靈巧手將在垂直平面內(nèi)完成一個(gè)周期的彎曲、伸展運(yùn)動(dòng)。將安裝有壓力傳感器的靈巧手指尖位置固定，令食指完成一次周期運(yùn)動(dòng)的時(shí)間T=15 s，受力從0 N開(kāi)始連續(xù)增大至0.57 N，基本保持恒力（變化幅度<0.03 N）時(shí)為 4.5 s。

繪制5個(gè)時(shí)間周期的力度均值及方差曲線(xiàn)，經(jīng)自適應(yīng)小波去噪后的壓力跟隨曲線(xiàn)如圖9所示。圖中，實(shí)線(xiàn)1為人手和物體接觸時(shí)作用力變化均值曲線(xiàn)，記為FF：a；虛線(xiàn)2為靈巧手指與接觸物體間的作用力均值曲線(xiàn)，記為DF：a；虛線(xiàn)3為人手食指周期運(yùn)動(dòng)的方差曲線(xiàn)，記為FF：s；虛線(xiàn)4為靈巧手端力度跟隨的方差曲線(xiàn)，記為DF：s。

圖9 力度控制曲線(xiàn)Fig.9 Force control curve

當(dāng)食指指尖與物體間的作用力大于0.28 N時(shí)，遙操作控制中周期運(yùn)動(dòng)的重復(fù)精度逐漸提高，偏差小于0.38 N；當(dāng)受力在0.57 N~0.6 N間基本保持恒力（變化幅度<0.03 N）時(shí)為4.5 s，遙操作控制中周期運(yùn)動(dòng)的重復(fù)精度大于96.5%，能夠達(dá)到穩(wěn)定抓持物體的要求。由此可見(jiàn)，靈巧手指尖力度跟隨效果良好?？刂茣r(shí)延小于0.68 s，在可接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)將關(guān)節(jié)角度映射和壓力控制相結(jié)合的混合控制策略應(yīng)用于多關(guān)節(jié)靈巧手指遙操作控制系統(tǒng)中，成功實(shí)現(xiàn)了多關(guān)節(jié)靈巧手指的精確實(shí)時(shí)遙操作控制。定量分析了系統(tǒng)的時(shí)延特性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)可靠性和控制的有效性。對(duì)遙操作靈巧手的設(shè)計(jì)提供了重要數(shù)學(xué)分析工具，對(duì)新一代簡(jiǎn)易、高效力反饋數(shù)據(jù)手套的研制和微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的力檢測(cè)研究具有重要的借鑒價(jià)值。

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