宮立達(dá)

（閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心， 福建 石獅 362700）

1 研究意義

仿生手于1963 年作為假肢產(chǎn)品被研發(fā)出來，隨著技術(shù)的發(fā)展，單純的手工勞作已滿足不了工業(yè)自動(dòng)化的要求，這種思想現(xiàn)在逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樵谏詈Ｌ綔y(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)排雷、核料搬運(yùn)以及航天設(shè)備檢修等會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)操作人員帶來危害的高危操作場(chǎng)合替代人的機(jī)械手。在機(jī)械行業(yè)中，它主要用于零部件的組裝及在組合機(jī)床上被使用。但是機(jī)械手在實(shí)際使用時(shí)由于不同控制對(duì)象獨(dú)有特點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生控制不精確，操作存在偏差等問題，所以研究一款能夠按照人腦思想通過同步仿生手發(fā)出控制命令，讓機(jī)械手通過接受仿生手發(fā)送的命令來完成人想讓機(jī)械手完成的任務(wù)具有十分重要的意義[1]。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

本文研究的同步仿生機(jī)械手是通過接受由人腦控制的仿生手的指令來完成操作任務(wù)的。仿生手掌的主從控制通過測(cè)量人手運(yùn)動(dòng)時(shí)表面肌電信號(hào)得到人手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步得出手掌動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)角度，然后將數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)發(fā)送給同步仿生機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器通過步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成相同的指令動(dòng)作。本設(shè)計(jì)里面增加多組驅(qū)動(dòng)裝置，使機(jī)械手不僅可以旋轉(zhuǎn)還可以上下運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)底座和手腕結(jié)構(gòu)采用金屬齒輪舵機(jī)增加扭矩，采用微型舵機(jī)實(shí)現(xiàn)五指獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械手下方增加真空吸盤使機(jī)械手更加穩(wěn)定[2]。

2.2 控制技術(shù)分析選擇

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用繼電接觸器控制，不僅觸點(diǎn)多而且接線復(fù)雜，可靠性較差；PLC 控制更適合于大型的工業(yè)流程控制；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制效果較好卻又十分依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制雖然不依賴數(shù)學(xué)模型，但是控制精度又不高，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制的準(zhǔn)確性、可靠性，由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，本文選擇STM32 型號(hào)單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收法、處理、儲(chǔ)存等的主芯片[3]。

3 具體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中仿生手通過電位采集感應(yīng)器檢測(cè)先到手指關(guān)節(jié)的動(dòng)作，然后通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給同步仿生機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)器，主控制器通過USB 串口接收仿生手發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)指令的正確性后，把運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分配給20 個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)與關(guān)節(jié)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 電機(jī)與關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系

本設(shè)計(jì)選擇STM32F103C8T6 芯片，相比于其他型號(hào)的芯片，它是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32 系列的32 位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64 kB，需要電壓 2～3.6 V，工作溫度為 -40～85 ℃，見圖1。

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生機(jī)械手的控制，對(duì)手部動(dòng)作的測(cè)量十分重要，需要很高的檢測(cè)精度，本設(shè)計(jì)采用電位采集感應(yīng)器來對(duì)手指的彎曲程度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，然后將信號(hào)通過藍(lán)牙或USB 接口發(fā)送給機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成動(dòng)作[4]，見圖2。

圖1 單片機(jī)主電路

圖2 傳感器接口電路

為了將仿生手的測(cè)量與機(jī)械手進(jìn)行連接，本設(shè)計(jì)使用VC++10.0 平臺(tái)，編寫串口通信程序，通過RS-232C 串口，把符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送給集成電路板的主控器。并采用藍(lán)牙串口實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線傳輸，見圖3、圖4[4]，人手動(dòng)作發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令的速度要與主控制器接收運(yùn)動(dòng)指令的速度相同，以避免運(yùn)動(dòng)指令的丟失或堆積，保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性和精確性[6]。

圖3 藍(lán)牙電路

圖4 USB 接口電路

4 結(jié)論

為了改善傳統(tǒng)機(jī)械手只能完成單一任務(wù)的不足之處，本文設(shè)計(jì)了一款能夠根據(jù)人的動(dòng)作即人手動(dòng)作發(fā)出指令完成相關(guān)指令的同步仿生手掌的機(jī)械手。采用單片機(jī)作為主要芯片，當(dāng)傳感器檢測(cè)到指關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)，通過藍(lán)牙或USB 以及相關(guān)協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信對(duì)接，對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接收到信號(hào)完成指定的動(dòng)作。本次設(shè)計(jì)里面增加多組驅(qū)動(dòng)裝置，使機(jī)械手不僅可以旋轉(zhuǎn)還可以上下運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)出來的仿生機(jī)械手的動(dòng)作比一般的機(jī)械手更加靈活，控制效果更好的目的。