孫勝凱 呂常智

[摘 要]創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。以電子信息工程專業(yè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)案例——同步仿生手為例，該同步仿生手通過彎曲傳感器檢測人的手指及關(guān)節(jié)的彎曲角度，用陀螺儀檢測翻轉(zhuǎn)角度，由CPU處理后經(jīng)Zigbee無線發(fā)送給仿生手，仿生手控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)人手動(dòng)作的同步模仿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同步仿生手可以模仿做出人手的6個(gè)動(dòng)作，延遲在200ms內(nèi)，具有更好的精確度和可操控性。通過該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生不僅掌握了電子信息工程專業(yè)的核心知識模塊和必備技能，而且創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力得到了很大的提高。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn);電子信息工程;同步仿生手;陀螺儀;彎曲度傳感器;舵機(jī)

[中圖分類號] TP241.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）02-0067-04

根據(jù)《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，隨著“新工科”建設(shè)的推進(jìn)及山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程的實(shí)施，新一代電子信息工程類創(chuàng)新型人才需求很大[1]。

高校電子信息工程類專業(yè)承擔(dān)著培養(yǎng)新世紀(jì)創(chuàng)新型人才的重任。我校電子信息工程專業(yè)于2010年獲批為國家級特色專業(yè)，近年來又得到山東省高水平應(yīng)用專業(yè)群建設(shè)項(xiàng)目、山東省一流本科建設(shè)工程等項(xiàng)目的支持，依托國家級人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)、教育部-中興通訊ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地等高層次教學(xué)平臺，花大力氣抓學(xué)生的創(chuàng)新教育，充實(shí)內(nèi)涵，突出特色，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，服務(wù)“一黑一藍(lán)”區(qū)域和行業(yè)的發(fā)展[2]。

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是以普遍提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力和意識為目的的教學(xué)環(huán)節(jié)[3-5]，自2009年被納入到專業(yè)的培養(yǎng)方案中，根據(jù)其要求，學(xué)生在大學(xué)四年時(shí)間內(nèi)需要獲得4個(gè)創(chuàng)新學(xué)分。根據(jù)培養(yǎng)進(jìn)度，分別在四、五、六三個(gè)學(xué)期各設(shè)一個(gè)學(xué)分的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，階段性強(qiáng)化學(xué)生對知識的掌握程度，提高其動(dòng)手能力。在實(shí)施該教學(xué)環(huán)節(jié)的過程中，我們不斷探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本文給出了電子信息工程專業(yè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)案例“同步仿生手”的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求仿生手要實(shí)時(shí)檢測、識別人手的動(dòng)作，并同步模仿出來。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)總體方案

“同步仿生手”系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：人體檢測模塊和仿生手[6-10]控制模塊，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用CC2530內(nèi)置的8051內(nèi)核作為主控制器，實(shí)現(xiàn)人手與仿生手的同步動(dòng)作。人體檢測模塊中彎曲傳感器及陀螺儀實(shí)時(shí)檢測人手的動(dòng)作和姿態(tài)，經(jīng)CPU處理后通過Zigbee[11-12]無線傳輸?shù)椒律帜K。仿生手模塊接收到傳送來的動(dòng)作和姿態(tài)信息后，其CPU對之進(jìn)行運(yùn)算和處理，形成控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的PWM信號，舵機(jī)根據(jù)此信號控制仿生手運(yùn)動(dòng)，模仿出人手的動(dòng)作。系統(tǒng)采用Zigbee無線傳輸，易組網(wǎng)，速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，動(dòng)作的同步性好;采用舵機(jī)控制仿生手的動(dòng)作，精確可靠，定位準(zhǔn)確，仿真度高。? ? ? [TFT? LCD][CC2530][彎曲度傳感器][3個(gè)獨(dú)立按鍵][陀螺儀WPU6050][LM1117-3.3][5V1A]

（二）手檢測模塊設(shè)計(jì)

人手檢測模塊由CC2530主控CPU、彎曲度傳感器、陀螺儀、LCD顯示器和鍵盤、電源組成。CC2530集成的8051內(nèi)核主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的工作，包括采集傳感器數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示和無線通信等。下面簡要說明其中的CPU電路、陀螺儀電路和彎曲傳感器電路的電路構(gòu)成。

主控CPU電路以CC2530[13-14]為核心，外加時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源濾波電路、無線發(fā)送電路，如圖2所示。

陀螺儀采用了InvenSense 公司的MPU6050[15]，用來檢測人手的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)。MPU6050及其外圍電路如圖3所示。它是全球首款6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個(gè)IIC 接口，可用于連接外部磁力傳感器。系統(tǒng)利用MPU6050自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（Digital Motion Processor），借助公司提供的運(yùn)動(dòng)處理資料庫，實(shí)現(xiàn)9軸融合和姿態(tài)。該設(shè)計(jì)免除了組合陀螺儀與加速器之間時(shí)軸差問題，降低了安裝空間，同時(shí)DMP的應(yīng)用大大縮短了運(yùn)動(dòng)處理消耗時(shí)長。

彎曲度傳感器（Flex Sensor By Spectra Symbol）采用的是Flex-4.5，用于檢測人手手指的彎曲程度，其電路如圖4所示。Flex-4.5是4.5彎曲傳感器，它把彎曲程度轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，彎曲越大，電阻越高。它柔軟、超薄，被固定在手套的手指上（每個(gè)手指安裝一個(gè)傳感器），當(dāng)手指彎曲時(shí)，傳感器的金屬面向外彎，其電阻值發(fā)生變化。圖4電路把傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柾ㄟ^跟隨器后傳給單片機(jī)，由單片機(jī)采集、處理并轉(zhuǎn)換為手指的彎曲度信號。

（三）仿生手模塊設(shè)計(jì)

仿生手模塊主要由CPU、舵機(jī)和電源構(gòu)成，如圖1所示。CPU選用的是CC2530，與人手檢測模塊相同，不再贅述。舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測器構(gòu)成。舵機(jī)接口如圖5，其中U1的5個(gè)接口分別接控制仿生手指的5個(gè)舵機(jī)，U2接控制手臂的3個(gè)舵機(jī)。模塊根據(jù)接收到的人手動(dòng)作信號，產(chǎn)生控制信號發(fā)送給舵機(jī)，舵機(jī)經(jīng)由電路板上的 IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂;位置檢測器把擺臂位置信號送回，用于判斷是否已經(jīng)到達(dá)設(shè)定位置，形成閉環(huán)控制。舵機(jī)由5V10A直流電源直接供電。

二、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分成人手檢測和仿生手控制兩個(gè)部分。人手檢測部分的功能模塊主要有CC2530協(xié)議棧、MPU6050數(shù)據(jù)采集、按鍵檢測、彎曲度檢測、屏幕顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送等。仿生手控制部分的軟件功能模塊主要有CC2530協(xié)議棧、舵機(jī)控制、數(shù)據(jù)接收。軟件均采用IAR for 8051編譯器編制和調(diào)試。

兩部分的軟件流程分別如圖7和圖8所示。人體檢測部分首先完成CC2530、MPU6050等初始化及參數(shù)設(shè)定，之后定時(shí)檢測MPU6050的數(shù)據(jù)，以獲得手臂姿態(tài)，并通過A/D采集5個(gè)彎曲傳感器的信號，以獲取手指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換和解算后通過Zigbee發(fā)送給仿生手模塊。仿生手控制部分首先進(jìn)行CPU初始化，之后在接收到Zigbee數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理等，產(chǎn)生舵機(jī)控制信號發(fā)送給舵機(jī)，由舵機(jī)控制手指模仿人手動(dòng)作。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

該仿生手和傳感器手套通過無線模塊連接，手指的彎曲程度被傳感器采集，處理為可被單片機(jī)捕捉的電信號，手指動(dòng)作信號實(shí)時(shí)發(fā)送到仿生手，仿生手做出與手指同樣的動(dòng)作。當(dāng)大拇指、食指、中指、無名指、小手指彎曲時(shí)，仿生手大拇指、食指、中指、無名指、小手指同步彎曲，五只手指全部彎曲時(shí)，仿生手也全部同步彎曲。各個(gè)手指的彎曲狀態(tài)如圖9（a-f）所示。經(jīng)過多次試驗(yàn)，當(dāng)手動(dòng)作時(shí)，仿生手部分可以同樣動(dòng)作，延遲在200ms內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該仿生手利用體感方式極大地提高了精確度和可操控性，可以完全同步人手的動(dòng)作。

四、結(jié)語

培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才是高等院校的重要任務(wù)，在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的形勢下更加重要。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是電子信息工程專業(yè)在應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面做的探索和嘗試。該實(shí)驗(yàn)只給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求，不對實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟等做任何的限制，鼓勵(lì)學(xué)生利用所學(xué)知識、利用網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性、釋放發(fā)散思維創(chuàng)造性的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。同步仿生手集中體現(xiàn)了電子電路、無線通信、鍵盤顯示、單片機(jī)技術(shù)、接口技術(shù)等課程的知識，綜合訓(xùn)練了學(xué)生編程平臺使用、電路輔助設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成等方面的能力，在教學(xué)中取得了良好的效果，既鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

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[責(zé)任編輯：張 雷]