張英坤 ，郝存明 ，張效瑋，馬艷東 *，潘其旺

1. 河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所（石家莊 050081）；2. 河北省信息安全認(rèn)證工程技術(shù)研究中心（石家莊 050081）；3. 石家莊市發(fā)展和改革委員會(huì)（石家莊 050081）；4. 中國電信集團(tuán)石家莊分公司（石家莊 050081）

抓取操作是機(jī)器人在食品生產(chǎn)活動(dòng)中必不可少的一類動(dòng)作，通常是通過機(jī)器人的末端執(zhí)行器來完成，實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)器人末端執(zhí)行器多為專用夾持器，具有負(fù)載能力強(qiáng)、抓取穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但其通用性較差[1]。由此，國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)相繼研制出各種結(jié)構(gòu)的靈巧手[2-6]，靈巧手雖然能夠完成一些靈巧抓取和精細(xì)操作，但由于使用的傳感器和驅(qū)動(dòng)元件多，導(dǎo)致靈巧手結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大。針對(duì)該問題，提出設(shè)計(jì)一種基于Arduino控制器的力反饋型靈巧手系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，還要保證靈巧手對(duì)目標(biāo)物體的無損抓握。為了避免在抓握過程中因抓握力過大使得靈巧手對(duì)目標(biāo)物體造成損害，采用了限定接觸抓握力最大值的控制方式[7]。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，設(shè)計(jì)的靈巧手系統(tǒng)具有良好的力反饋功能，可實(shí)現(xiàn)靈巧手對(duì)目標(biāo)物體的可靠抓握。

1 欠驅(qū)動(dòng)靈巧手系統(tǒng)構(gòu)成

欠驅(qū)動(dòng)靈巧手系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖1所示，主要由靈巧手機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、FSR傳感器、靈巧手控制器和人機(jī)交互系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。FSR傳感器用于檢測(cè)靈巧手與目標(biāo)物體之間的相互作用力。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)靈巧手進(jìn)行抓握運(yùn)動(dòng)的力矩。靈巧手控制器通過串口與PC機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，一方面控制器接收人機(jī)交互系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，經(jīng)過解析控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作；另一方面人機(jī)交互系統(tǒng)接收、顯示并存儲(chǔ)控制器發(fā)送的FSR傳感器數(shù)據(jù)，并將其作為判斷抓握操作是否完成的依據(jù)。

圖1 欠驅(qū)動(dòng)靈巧手系統(tǒng)

圖2 欠驅(qū)動(dòng)靈巧手系統(tǒng)框圖

2 靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 靈巧手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)力的平衡原理，抓取物體時(shí)至少需要2個(gè)相對(duì)的力或力偶作用于物體上，即二指結(jié)構(gòu)在理論上已經(jīng)可以完成抓取任務(wù)[7]。因此，設(shè)計(jì)一種具有2根欠驅(qū)動(dòng)手指的靈巧手，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由手指機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳感裝置及基座3部分組成。手指機(jī)構(gòu)包括左右對(duì)稱分布的2根結(jié)構(gòu)完全相同的模塊化欠驅(qū)動(dòng)手指，每根欠驅(qū)動(dòng)手指均由一組驅(qū)動(dòng)傳感裝置控制，實(shí)現(xiàn)手指機(jī)構(gòu)的彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)傳感裝置包括電機(jī)和FSR傳感器。基座分為上下2層，上層基座用來固定電機(jī)和手指機(jī)構(gòu)，下層基座用來安裝靈巧手，如將靈巧手固定到機(jī)械臂等載體上。

圖3 二指靈巧手結(jié)構(gòu)

2.2 欠驅(qū)動(dòng)手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過分析人手手指的生理學(xué)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)[8]，設(shè)計(jì)如圖4所示的欠驅(qū)動(dòng)三指節(jié)手指機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)。欠驅(qū)動(dòng)手指主要包括近指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)3個(gè)部分，近指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)可分別繞近指節(jié)關(guān)節(jié)軸、中指節(jié)關(guān)節(jié)軸以及遠(yuǎn)指節(jié)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，利用剛性連桿構(gòu)成手指的傳動(dòng)系統(tǒng)，利用中指節(jié)拉簧和近指節(jié)拉簧2組彈性元件實(shí)現(xiàn)手指機(jī)構(gòu)在抓握過程中的自適應(yīng)變形。

欠驅(qū)動(dòng)手指在抓握過程中的自適應(yīng)包絡(luò)運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示，手指和目標(biāo)物體的初始位姿如圖5（a）所示，此時(shí)，手指和目標(biāo)物體不發(fā)生接觸；在電機(jī)驅(qū)動(dòng)力作用下，手指開始轉(zhuǎn)動(dòng)，與物體發(fā)生接觸前，近指節(jié)拉簧和中指節(jié)拉簧不被拉長，3個(gè)指節(jié)保持初始位姿關(guān)系，直到近指節(jié)與物體發(fā)生接觸，此時(shí)，近指節(jié)不能再繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，如圖5（b）所示；手指的中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)力作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，近指節(jié)拉簧被拉長，中指節(jié)拉簧保持不變，直到中指節(jié)與物體發(fā)生接觸，此時(shí)，中指節(jié)不能再繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，如圖5（c）所示；手指的遠(yuǎn)指節(jié)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)力作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，近指節(jié)拉簧繼續(xù)被拉長，中指節(jié)拉簧也被拉長，直到遠(yuǎn)指節(jié)與物體發(fā)生接觸，此時(shí)，遠(yuǎn)指節(jié)不能再繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，如圖5（d）所示。經(jīng)歷了如圖5所示的運(yùn)動(dòng)過程，手指最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的自適應(yīng)包絡(luò)抓握。

圖4 欠驅(qū)動(dòng)手指結(jié)構(gòu)

圖5 欠驅(qū)動(dòng)手指自適應(yīng)包絡(luò)運(yùn)動(dòng)過程

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)

靈巧手系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主控制器模塊、傳感器信息采集模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、通信模塊和電源管理模塊，如圖6所示。其中，主控制器模塊采用以AVR單片機(jī)ATmega 328P作為內(nèi)核的Arduino UNO開發(fā)板[9]，具有14個(gè)數(shù)字輸入輸出IO，6個(gè)模擬輸入IO，以及32 kb的Flash存儲(chǔ)空間，能夠滿足靈巧手控制系統(tǒng)的需求。USB串口負(fù)責(zé)Arduino控制器與上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)之間的通信。

圖6 系統(tǒng)硬件電路總體框圖

3.2 FSR傳感器信號(hào)采集及信號(hào)放大電路

為獲取靈巧手與目標(biāo)物體之間的接觸力信息，系統(tǒng)采用FSR壓阻式力敏傳感器對(duì)接觸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其參數(shù)如表1所示，其性能能夠滿足系統(tǒng)的精度要求。

表1 FSR傳感器參數(shù)

由于FSR傳感器輸出的是電阻信號(hào)，因此需要搭建電阻轉(zhuǎn)電壓電路，通過在其輸出端串聯(lián)一個(gè)10 kΩ電阻，使其輸出信號(hào)變?yōu)?～5 V的電壓信號(hào)[10]。同時(shí)，利用LM358放大器構(gòu)成信號(hào)放大電路，其輸入為FSR傳感器的輸出電壓。FSR傳感器信號(hào)采集及信號(hào)放大的集成電路如圖7所示。

圖7 FSR傳感器信號(hào)采集及信號(hào)放大電路

3.3 電機(jī)控制電路

電機(jī)控制電路包括兩路直流電機(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。受靈巧手的尺寸限制，直流電機(jī)需要滿足體積小、輸出力矩大、精確度高及響應(yīng)速度快等條件。根據(jù)上述要求，系統(tǒng)選用的是N20直流減速電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表2所示，其自帶減速箱，且體積小，噪音低，精度高，輸出力矩能夠滿足系統(tǒng)需求。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片[11]，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱低、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。L298N內(nèi)含2個(gè)H橋的全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以直接驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，還可以方便地控制直流電機(jī)的速度和方向。

表2 N20直流減速電機(jī)參數(shù)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

靈巧手系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)2部分。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、解析上位機(jī)指令、數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制等。靈巧手控制器上電并完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化設(shè)置，然后，接收并解析上位機(jī)指令以判斷是否要求開始抓取操作，確定接收到開始抓取指令后，控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采集FSR傳感器數(shù)據(jù)并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)。人機(jī)交互系統(tǒng)接收FSR傳感器數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前獲取的測(cè)量接觸力是否達(dá)到設(shè)定的期望抓握力，若達(dá)到最大抓握力則向下位機(jī)發(fā)送指令控制電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，靈巧手即停止動(dòng)作，否則在抓握操作尚未結(jié)束且沒有按下停止按鈕時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入下一步抓取動(dòng)作的循環(huán)。上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化編程語言[12]在PC機(jī)上編寫，通過串口與下位機(jī)靈巧手控制器連接，接收、保存并在人機(jī)交互界面上實(shí)時(shí)顯示接觸力信息。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)靈巧手對(duì)目標(biāo)物體的可靠抓握，在完成系統(tǒng)調(diào)試后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)的具體流程為：

a）給靈巧手設(shè)定期望抓握力，即最大接觸力；b）以恒定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制靈巧手運(yùn)動(dòng)；c）在靈巧手抓握過程中，利用FSR傳感器實(shí)時(shí)采集手指接觸力信息；

d）判斷FSR傳感器測(cè)量的手指接觸力是否達(dá)到設(shè)定的期望抓握力，若是達(dá)到，則停止電機(jī)工作，否則繼續(xù)抓取動(dòng)作的循環(huán)。

控制靈巧手抓握一個(gè)塑料瓶，F(xiàn)SR傳感器貼附在遠(yuǎn)指節(jié)內(nèi)觸面，設(shè)定靈巧手對(duì)該塑料瓶的期望抓握力為1.65 N，抓握運(yùn)動(dòng)過程如圖9所示，靈巧手抓握塑料瓶的接觸力數(shù)據(jù)如圖10所示。從圖9可以看出，靈巧手與塑料瓶發(fā)生接觸前，靈巧手的3個(gè)指節(jié)保持原來的位姿關(guān)系；靈巧手與塑料瓶發(fā)生接觸，靈巧手的3個(gè)指節(jié)發(fā)生自適應(yīng)變形，直至完成對(duì)塑料瓶的包絡(luò)抓握。從圖10的接觸力曲線可以看出，手指接觸力隨著自適應(yīng)包絡(luò)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行而逐漸增大，手指接觸力達(dá)到設(shè)定的期望抓握力時(shí)，靈巧手控制電機(jī)停止工作，抓握操作結(jié)束。

圖8 系統(tǒng)軟件程序流程圖

圖10 抓握力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

基于Arduino控制器設(shè)計(jì)一套具有力反饋的靈巧手系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)整體構(gòu)成、欠驅(qū)動(dòng)靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述，并通過試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)性能。系統(tǒng)利用FSR壓力傳感器獲取靈巧手的抓握力信息，以此實(shí)現(xiàn)力反饋，通過對(duì)直流電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)靈巧手抓握運(yùn)動(dòng)的控制，通過串口實(shí)現(xiàn)下位機(jī)控制器與PC機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，將靈巧手的抓握力數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化顯示。系統(tǒng)采用Arduino控制器實(shí)現(xiàn)靈巧手的控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制容易的特點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靈巧手對(duì)目標(biāo)物體的穩(wěn)定抓握，對(duì)促進(jìn)靈巧手在食品行業(yè)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用具有重要意義。