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        使用彎曲傳感器的機(jī)器人手勢(shì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-09-07 02:31:50,,,
        關(guān)鍵詞:舵機(jī)隊(duì)列手指

        , , ,

        (常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,常州 213025)

        引 言

        當(dāng)前,工業(yè)機(jī)器人的操作方法大概可以分為離線編程和示教再現(xiàn)兩種。示教再現(xiàn)又可以分為人工導(dǎo)引和用示教盒控制來(lái)使機(jī)器人完成預(yù)期的動(dòng)作等方式。人機(jī)交互是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的明顯技術(shù)特征之一[1-3]。若能通過(guò)人類(lèi)手部動(dòng)作直接控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng),則可以使得機(jī)器人的控制變得更加直觀和清晰。

        本文設(shè)計(jì)了一種基于彎曲傳感器的機(jī)器人手勢(shì)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)彎曲傳感器捕捉人體手指的動(dòng)作,然后將這些動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電壓量,作為開(kāi)源平臺(tái)Arduino UNO R3的模擬輸入信號(hào);經(jīng)Arduino UNO R3進(jìn)行算法處理后,控制3路舵機(jī)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了利用手指動(dòng)作驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的目的。

        1 總體設(shè)計(jì)

        圖1 機(jī)器人實(shí)物圖

        該機(jī)器人由機(jī)器人本體、電源、主控制系統(tǒng)和手勢(shì)信號(hào)采集系統(tǒng)等部分組成,如圖1所示。機(jī)器人本體部分采用3D打印技術(shù)制作的開(kāi)源EEZYbotARM,驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來(lái)源于3個(gè)舵機(jī),分別控制機(jī)器人的大臂旋轉(zhuǎn)、小臂旋轉(zhuǎn)和夾爪張合。該結(jié)構(gòu)可保證機(jī)械手在工作時(shí),末端執(zhí)行器底面始終與底座底面保持平行[4]。

        2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)硬件電路主要包括電源、主控制系統(tǒng)和手勢(shì)信號(hào)采集系統(tǒng)等部分。主控制系統(tǒng)采用的是Arduino UNO R3控制板,電源采用12 V鋰電池供電,手勢(shì)信號(hào)采集系統(tǒng)的核心部件為彎曲傳感器。

        2.1 Arduino UNO R3 介紹

        Arduino是一種開(kāi)源的電子原型平臺(tái),可以連接各類(lèi)傳感器、馬達(dá)等電子元件。Arduino UNO R3采用ATmega328作為核心CPU,具有6路模擬輸入接口和14路數(shù)字I/O接口,含有6路PWM輸出。Arduino編程使用Arduino IDE軟件,由于其基于C語(yǔ)言,因此控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)潔和方便。近幾年,Arduino開(kāi)源電子原型平臺(tái)在各類(lèi)電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5-6]。

        2.2 手指動(dòng)作采集原理

        彎曲傳感器是一種簡(jiǎn)單測(cè)量彎曲強(qiáng)度的傳感器,可以將它固定在被測(cè)曲面上,配合模擬輸出,方便將彎曲信息采集并處理[7-8]。彎曲傳感器的電阻值與彎曲角度之間的關(guān)系如圖2所示。

        圖2 彎曲傳感器的電阻值與彎曲角度之間的關(guān)系

        通過(guò)3D打印技術(shù)制作的彎曲傳感器固定夾將彎曲傳感器固定在指上,以用于采集手指的彎曲動(dòng)作,如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中,共采用了3組手指屈伸動(dòng)作信號(hào)采集電路,各路彎曲傳感器與Arduino Uno R3聯(lián)接電路如圖4所示。

        圖3 彎曲傳感器固定夾

        圖4 控制系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)

        各路傳感器采集的手指屈伸動(dòng)作信號(hào)經(jīng)集成運(yùn)算放大器LM339處理后,傳遞給Arduino Uno R3主控板進(jìn)行處理,每路手指屈伸動(dòng)作信號(hào)采集電路的原理圖如圖5所示,主控板輸入端的端口電壓值如下所示:

        (1)

        其中,Vcc為電源電壓,Rf為彎曲傳感器電阻值,R2為分壓電阻阻值。

        圖5 手指屈伸動(dòng)作信號(hào)采集電路

        3 程序設(shè)計(jì)

        3.1 移動(dòng)平均濾波算法

        常用的數(shù)字濾波算法包括中位值平均法、限幅法、移動(dòng)平均濾波算法等。在本設(shè)計(jì)中,采用了移動(dòng)平均濾波算法,這是一種濾除信號(hào)中高頻尖峰脈沖(干擾或頻繁隨機(jī)起伏)的簡(jiǎn)捷而有效的濾波方式,其實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)波形的平滑處理,屬低通濾波[9]。移動(dòng)平均濾波的卷積實(shí)現(xiàn)形式如下:

        (2)

        其中,x[i+j]為輸入信號(hào),y[i]為輸出信號(hào),M是求平均時(shí)所使用的點(diǎn)的數(shù)量。移動(dòng)平均濾波的原理是:將連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)看成一個(gè)長(zhǎng)度固定為M的隊(duì)列,隊(duì)列中的數(shù)據(jù)為x[i],x[i+1],…,x[i+M-1];在一次新的測(cè)量之后,將上述隊(duì)列的首數(shù)據(jù)去除,剩余(M-1)個(gè)數(shù)據(jù)依次前移,并將新的采樣數(shù)據(jù)插入作為新隊(duì)列的尾,得到新的隊(duì)列數(shù)據(jù)為x[i+1],x[i+2],…,x[i+M];對(duì)該隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算,并將運(yùn)算結(jié)果作為本次測(cè)量的結(jié)果:

        (3)

        只要采樣率足夠高,就能得到較為理想的測(cè)量結(jié)果。圖6和圖7為一組彎曲傳感器采集的手指彎曲信號(hào)濾波前后的波形對(duì)比??梢钥闯?,通過(guò)移動(dòng)濾波算法,原始輸入信號(hào)中的隨機(jī)噪聲得以消除。通過(guò)后續(xù)的測(cè)試試驗(yàn)證明,濾波后舵機(jī)的抖動(dòng)明顯減弱。

        圖6 移動(dòng)濾波前輸入信號(hào)

        圖7 移動(dòng)濾波后輸入信號(hào)和上下閾值

        3.2 閾值算法

        為方便舵機(jī)控制,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),本文取3.5 V電壓值作為下閾值,取4 V電壓值作為上閾值,如圖7所示,即認(rèn)為當(dāng)傳感器獲取到的電壓值在3.5~4 V范圍內(nèi)時(shí),輸入信號(hào)有效[10]。

        3.3 舵機(jī)控制

        舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是通過(guò)調(diào)節(jié)PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在本設(shè)計(jì)中,通過(guò)analogRead()函數(shù)讀取Arduino Uno輸入的模擬值,經(jīng)過(guò)濾波和閾值判斷后,通過(guò)map()函數(shù)將上下閾值范圍內(nèi)3.5~4 V 的電壓值映射為舵機(jī)0°~180°旋轉(zhuǎn)角度,從而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。該部分程序控制流程圖如圖8所示,具體實(shí)現(xiàn)代碼如下:

        int value=analogRead(A0); //讀取A0口輸入的模擬值

        pos=map(value,3.5,4,0,180);

        //將讀到的模擬值3.5~4映射為0°~180°

        myservo.write(pos);

        //舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)角度

        delay(100);

        //延時(shí)一段時(shí)間讓舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置

        圖8 舵機(jī)控制程序流程圖

        3.4 主控制程序設(shè)計(jì)

        圖9 總體控制 程序流程圖

        控制程序采用Arduino IDE軟件對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě),圖9為控制系統(tǒng)主程序流程圖。由于Arduino Uno的時(shí)鐘周期較短,因此在本設(shè)計(jì)中,采用循環(huán)掃描、順序執(zhí)行的方式控制3路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行。

        4 試驗(yàn)測(cè)試

        圖10和圖11為利用手指動(dòng)作控制夾爪張合的測(cè)試畫(huà)面。測(cè)試結(jié)果表明,隨著手指彎曲程度的增大,夾爪逐漸閉合;手指逐漸伸直,夾爪也慢慢張開(kāi),整個(gè)過(guò)程中,舵機(jī)運(yùn)行較為平穩(wěn)。圖12為利用手指動(dòng)作控制機(jī)器人抓取物料的畫(huà)面,測(cè)試過(guò)程中機(jī)器人的動(dòng)作與手指的動(dòng)作吻合,機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn),控制準(zhǔn)確可靠。

        圖10 夾爪張開(kāi)

        圖11 夾爪閉合

        圖12 綜合測(cè)試

        結(jié) 語(yǔ)

        劉天宋(助教),主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與仿真。

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