黃廣偉，陳浩華，趙天嬋，張攀峰

（1.東莞理工學(xué)院城市學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東東莞 523419；2.廣東得為科技有限公司，廣東東莞 523419）

0 引言

為滿足肢體缺陷的人群對高仿真性且具有靈巧性的假肢或者替代人手執(zhí)行危險工作的需求，諸多學(xué)者對擬人機(jī)械手進(jìn)行了研究。宋釗杰、韓建海等[1]通過基于仿生學(xué)相關(guān)理論提出了一種氣壓驅(qū)動扇形柔性關(guān)節(jié)仿人機(jī)械手；李紅淵[2]研究了一種基于Arduino語音控制的五指靈巧手，該研究主要針對于擁有說話能力的肢體缺陷人群，通過語音控制實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的抓?。恍礻帕?、徐粟軒等[3]在仔細(xì)研究了人手的構(gòu)造之后，設(shè)計出了一款擬人性五指靈巧手。張習(xí)燁、唐新星等[4]通過探究人手的基本結(jié)構(gòu)特性，開發(fā)了一套擬人手的控制系統(tǒng)，并在深入研究了擬人手的驅(qū)動機(jī)制和相應(yīng)的運(yùn)動效果后，構(gòu)建出了一種欠驅(qū)動模型。美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的Utah/MIT 擬人手[5]；美國斯坦福大學(xué)研制的Stanford/JPL[6]擬人手；HuagenWan等[7]對手的外觀做了細(xì)致紋理修飾，使其更逼真，并構(gòu)建了幾種抓取手勢；Jacob等[8]提出了一種柔性虛擬手模型，實(shí)現(xiàn)相對繁雜的人手抓取與操作行為。

但擬人手面臨著結(jié)構(gòu)特性復(fù)雜或性能不佳等問題，此問題主要由擬人手實(shí)現(xiàn)精確抓取效果從而導(dǎo)致擬人手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計繁雜，運(yùn)動控制困難和對傳感器依賴程度高而造成的。在很多抓取環(huán)境下，擬人手要成功抓取不同尺寸和形狀的物品是較為困難的，為克服該缺陷，本文采用了與目標(biāo)物品相適應(yīng)的抓取策略設(shè)計思路。在與人手外形相似的條件下，設(shè)計了一款在形態(tài)上和功能上都與人手相近的繩索驅(qū)動型擬人機(jī)械手。

1 擬人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 擬人手的總體結(jié)構(gòu)

通過對人手結(jié)構(gòu)人體工學(xué)的探索，合理簡化了手部的自由度[9]，以人手結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合人手部的實(shí)際及理論尺寸，人手是一個多肢節(jié)體系，大致包含手臂、手指、手掌和手腕4大部分[10]。使用SolidWorks構(gòu)建了擬人手的三維模型，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括前臂、手腕、手掌、手指部分（拇指、食指、中指、無名指、小指），其實(shí)物由3D 打印機(jī)打印而成，實(shí)體模型如圖2所示。

圖1 擬人手的三維模型

圖2 擬人手的實(shí)體模型

1.2 擬人手手指設(shè)計

手指結(jié)構(gòu)包括遠(yuǎn)端指節(jié)、中端指節(jié)、近端指節(jié)、遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)、中端指關(guān)節(jié)，手指結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 手指結(jié)構(gòu)

圖4 手指繩索驅(qū)動原理

手指主要通過兩根繩索來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動，兩根繩索分別穿過近、中、遠(yuǎn)指節(jié)的內(nèi)腔后在指尖中心位置處相互打一個繩結(jié)，即相當(dāng)于在手指中心軸線位置形成一個中心固定點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動繞線輪逆時針旋轉(zhuǎn)時，手指彎曲、當(dāng)電機(jī)驅(qū)動繞線輪順時針旋轉(zhuǎn)時，手指伸展，其繩索驅(qū)動原理如圖4所示。

1.3 擬人手手掌設(shè)計

擬人手的手掌主要用來連接、支配五根手指、為控制五根手指的繩索提供穿行的孔道?？紤]到結(jié)構(gòu)的靈巧性，采用模塊化設(shè)計方法，將手掌拆分為4個模塊。模塊1用于連接拇指、模塊2用于連接食指和中指、模塊3用于連接無名指、模塊4用于連接小指，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 手掌結(jié)構(gòu)

為了能讓繩索穿過其中心與前臂里的驅(qū)動模塊相連接，設(shè)計了繩索的穿行通道，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 手掌的穿繩通道

2 擬人機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 擬人手控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

擬人機(jī)械手工作原理是：通過點(diǎn)擊智能終端上的APP 進(jìn)行控制指令的輸出，該指令通過手機(jī)藍(lán)牙和HC-05 藍(lán)牙模塊之間的通信協(xié)議完成輸送；指令輸送到微控制器（型號為Arduino Mega 2560）后，微控制器對指令進(jìn)行整合、識別并將其轉(zhuǎn)化為PWM信號，通過該信號對5個伺服電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動控制，從而實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)械手抓握、打手勢、旋轉(zhuǎn)等動作。其系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖7所示，其中1號電機(jī)驅(qū)動拇指，2號電機(jī)驅(qū)動食指，3 號電機(jī)驅(qū)動中指，4 號電機(jī)驅(qū)動無名指，5 號電機(jī)驅(qū)動小指，6號電機(jī)驅(qū)動手腕。

圖7 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

2.2 擬人手控制系統(tǒng)電路設(shè)計

控制系統(tǒng)以Arduino Mega 2560 微處理器為控制器，HC-05藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的通信，6個伺服電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)5根手指彎曲、伸展、手臂的旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動。其整體電路連接如圖8所示。

圖8 整體電路連接圖

2.3 擬人手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在個人PC 機(jī)上使用Arduino 語言在IDE 軟件進(jìn)行編程，通過其編譯的程序直接下載到開發(fā)板即可進(jìn)行相應(yīng)的控制，編程方便可靠。

啟動Arduino開發(fā)板后，開發(fā)板首先進(jìn)行初始化，隨后等待智能移動終端的藍(lán)牙和HC-05 藍(lán)牙模塊的信號連接；當(dāng)兩者之間的連接建立完成后，HC-05 開始接收并解析控制指令，自動進(jìn)行儲存；開發(fā)板識別并分析接收到的指令，先判斷該指令是“命令”擬人手正在處于靜止模式還是運(yùn)動模式，如果是靜止模式，則馬上終止擬人手的運(yùn)動；若為運(yùn)動模式，則將所接收到的指令逐一轉(zhuǎn)化為各個伺服電機(jī)的控制指令?？刂瞥绦蛑卸xThumb標(biāo)記為拇指電機(jī)，index標(biāo)記為食指電機(jī)，middle 標(biāo)記為中指電機(jī)，ring 標(biāo)記為無名指電機(jī)，little 標(biāo)記為小指電機(jī)，wrist 標(biāo)記為腕關(guān)節(jié)電機(jī)，其控制程序的流程如圖9所示。

圖9 控制程序流程

2.4 智能終端軟件系統(tǒng)的搭建

為更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，本文開發(fā)了一款基于Android studio 的智能移動終端控制APP。主要擁有5 個基本功能，如圖10 所示。其中bluetooth 鍵用于實(shí)現(xiàn)與HC-05 連接，one 鍵用于實(shí)現(xiàn)2 指伸直動作（OK 手勢），two 鍵用于實(shí)現(xiàn)3 指伸直動作，three 鍵用于實(shí)現(xiàn)五指握拳動作，four 鍵用于實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動動作。

圖10 移動智能終端APP

圖11 擬人機(jī)械手的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

3 擬人機(jī)械手實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證擬人機(jī)械手的靈活性，動作的正確性，對擬人機(jī)械手進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證，擬人機(jī)械手的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖11 所示。首先把所有的硬件線路連接好，檢查線路是否出現(xiàn)短路或斷路等問題，確定無故障后，接上電源，打開智能終端藍(lán)牙，連接HC-05 藍(lán)牙模塊，在客戶端輸出指定命令，觀察擬人手是否按照預(yù)設(shè)動作運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證表明，擬人機(jī)械手控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能、響應(yīng)性能良好、準(zhǔn)確率高、能靈活實(shí)現(xiàn)預(yù)定的動作，運(yùn)行效果良好，達(dá)到了預(yù)期要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié)束語

本文通過對人手結(jié)構(gòu)特性分析，以人手結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，使用SolidWorks 設(shè)計了擬人機(jī)械手的三維模型，其往復(fù)式雙繩索驅(qū)動設(shè)計，使機(jī)械手具有更高仿真性及靈巧性，使用Arduino Mega 2560微處理器、HC-05藍(lán)牙模塊相互通信并傳輸控制數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)高效快速的通信，擬人機(jī)械手具有更高的靈活性及響應(yīng)能力，為后續(xù)研究提供了理論及實(shí)踐依據(jù)。