基于DSP 的仿人形假手控制系統研究*

張可科，熊蔡華，賀 磊，熊大柱

（華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

理想的假手應在形狀和功能上與真手一樣，它不僅能替代人手的感覺和運動功能，而且還要像人手一樣具有優美的外形，但目前的技術還遠遠達不到這個理想的要求[1]。

隨著機器人技術的飛速發展，一些研究者試圖研制出更加精巧的靈巧手，研究的方法和手段主要包含4 個方面：①人手基本生理結構的研究；②手爪模擬人手的結構和功能；③手爪感知系統的研究；④手爪控制方法的研究。目前該研究已取得了一些重要的成果，相繼有一批著名的多關節多指靈巧手問世。作為殘疾人假肢使用的假手，如加拿大的TBM 手[2]，英國的I-limb 手[3]等，其結構簡單，體積重量與人手相近，具有裝飾功能。目前已投入使用的商用假手多數只有1～3 個自由度。國內哈爾濱工業大學和德國宇航中心最新研制了集成度和擬人化程度高的五指仿人手，該手具有很強的操作能力，但質量有1.5 kg[4]，不適用于假肢場合。為了實時、有效地控制機器人多指手，機器人多指手自由度不宜過多[5]。最近有研究稱假肢手的最佳驅動數為3 個[6]。為了減少驅動數，一些假肢手嘗試用一個電機驅動同時驅動拇指的彎曲和側擺，例如MANUS 手[7]，但是傳動機構過于復雜。

傳統驅動方式控制電路復雜、體積大，影響控制的可靠性，軟件設計工作量也大[8-9]。Shigeo Hirose 于1978 年首先提出了繩索式欠驅動機構，奠定了欠驅動研究的基礎。欠驅動的基本原理是系統的驅動數少于自由度數。本研究將假手引入欠驅動機構，欠驅動機構的優勢是給控制系統帶來了方便，實現單個電機驅動多個自由度，實現對各種物體的包絡自適應抓取。采用欠驅動機構設計原理后，外圍電路簡單，可靠性高，減少了電路板的尺寸。

基于上述思想，本研究對欠驅動假肢手進行相關硬件電路的設計和軟件的編寫，并對假手中使用的壓力傳感器進行標定，在此基礎上，對生活中不同物體進行包絡抓取和捏取實驗。

1 多自由度假手系統介紹

1.1 假手整體概述

為了完全仿人手，假肢手的設計要求為：體積小、重量輕、外形擬人；假肢手采用欠驅動機構，能完成各種日常的抓握操作。

本研究所研制的欠驅動耦合假手如圖1 所示。它共有5 根手指，拇指2 個關節，其他手指各3 個關節，還包括拇指的側擺運動，共15 個活動關節，總重量約為550 g；和人手相比，其尺寸、重量和成年人人手相近。

圖1 欠驅動耦合假手

整個手掌15 個自由度僅用3 個電機驅動，機械結構主要包括：手指欠驅動機構、兩手指間差動機構、大拇指側擺機構。食指與中指由一個步進電機驅動，無名指與小指由另一個步進電機驅動，通過移動滑輪差動機構來實現一個電機驅動兩個手指。拇指通過將槽輪結構和曲柄連桿結構耦合，實現了僅用一個電機驅動拇指的側擺和彎曲兩個方向的運動。

本研究選用的步進電機具有自鎖功能，以螺桿作為電機輸出軸，在電機外部通過一個外部驅動螺母和螺桿相嚙合從而實現直線運動。這樣做的優點是大大簡化了設計，使得系統能夠在不安裝外部機械聯動裝置的情況下直接使用直線步進電機進行精密的線性運動。傳感器和電機都安裝在手掌內部，減少鋼絲繩路徑布置的難度。

1.2 假手手指機構方案選擇

手指機構方案有兩種：繩索滑輪驅動式和連桿驅動式。繩索滑輪驅動式特點：結構緊湊，關節力臂恒定，手指輸出力較小；連桿驅動式特點：結構不緊湊，關節力臂不恒定，手指易出現奇異形位，手指輸出力較大[10]。最后假肢手選用繩索驅動方案。因為這種手指機構在抓握物體時，手指能夠自動調節關節角度，完成對物體的包絡，增加抓握的穩定性。

2 控制系統設計

假手控制系統設計的目標是：手指能夠實現多種抓取模式；控制各手指電機運動，完成閉環力控制；對其硬件要求是體積小、功耗低的嵌入式控制系統。

仿人手的控制系統結構如圖2 所示。系統以微處理器DSP TMS320 F2812 為核心，實時地對傳感器信號進行處理，完成各手指動作的協調運動及運動控制算法。

圖2 假手控制系統結構

2.1 硬件實現

仿人手控制系統完成了手指的位置和壓力信號采集，以及整個手掌的抓握控制。大拇指使用有刷直流伺服電機，實現拇指的側捏與彎曲運動；其余手指使用直線步進電機，實現手指的抓握運動。DSP 的事件管理器（EV）產生3 路獨立脈沖信號給3 個電機驅動器，模/數轉換器（ADC）接收壓力傳感器的模擬信號；通用輸入/輸出（GPIO）接收8 個霍爾傳感器的開關信號。事件管理器A（EVA）的定時器1 用于啟動A/D；EVA 的定時器2 用于產生脈沖信號給拇指伺服電機；事件管理器B（EVB）的定時器3、4 用于產生脈沖信號給手指的步進電機。

2.1.1 電平轉換電路

由于DSP 的輸入/輸出引腳電平都是3.3 V，而霍爾輸入及電機脈沖信號和方向信號需要5 V，本研究需要設計3.3 V 和5 V 的電壓轉換電路[11]。

把8 路霍爾傳感器的5 V 電平轉化為DSP 可以接收的3.3 V 電平的電路，如圖3（a）所示。因為霍爾元件是漏極開路的，該電路需要上拉電阻。轉換芯片SN74AHC541 同時起到降壓和緩沖的作用。

圖3 電壓轉換電路

3.3 V-5 V 電壓轉換電路如圖3（b）所示。芯片左端為DSP 輸出信號為3.3 V，經過SN74HCT541 轉化為5 V后，輸出給3 個電機的脈沖輸入端和方向控制端，其中步進電機還具有使能端。

2.1.2 傳感器選擇及其處理電路

假手中用到8 個數字霍爾傳感器，其中6 個用來判斷手指彎曲的極限位置，2 個用來判斷拇指處于側捏還是抓握狀態。數字霍爾用在驅動傳動機構中，用來限定電機螺桿上螺母的運動范圍，使其在電機導螺桿的兩個極限位置之間運動，以免損傷螺桿螺紋或其他零件。該裝置結構緊湊，適合于假手這種狹小空間的應用場合。

假手在抓取物體時，不只是通過機械位移夾取物體，在夾取物體時力反饋也很重要。假手的力反饋由壓力傳感器（FSR#400，Interlink Electronics）來實現[12]。傳感器厚度薄、直徑小，數據處理比較簡單，適合于假肢手的場合。

力傳感器采集被抓取物體的信息，并將物體的信息傳遞給控制系統，以此來優化電機控制策略。整個機械手共使用了3 個壓力傳感器。電機螺母通過帶動滑塊上的滑輪可以使手指彎曲，通過測量螺母和滑塊之間的壓力可以間接測量出電機的驅動力。

FSR 信號處理電路如圖4 所示。為了避免對被采集的模擬信號產生干擾，調理電路的輸入阻抗需要非常大。電壓跟隨器用于緩沖壓力傳感器的輸入信號；RC 濾波器用于濾除高頻毛刺干擾；二極管起鉗位作用，防止模擬信號超出0～3.3 V 范圍。

圖4 FSR 信號調理電路

經過信號處理電路后，DSP 接收到的是電壓值，所以為了得到壓力的大小，研究者必須做FSR 的標定實驗。本研究在FSR 的受力表面上分別加各種型號的砝碼。通過Matlab 擬合得到一條對數曲線，如圖5 所示。

曲線方程為：Vout=1.4976 ×ln(FFSR+1)

圖5 FSR 輸出電壓隨壓力的變化曲線

2.2 軟件實現

電機控制方式包括位置控制、速度控制和力矩控制3 種，由于包絡抓取最后電機的位置不確定，本研究采用速度控制的方式來控制電機。軟件實現主要涉及EV、ADC 和GPIO 模塊[13-14]的應用。

本研究選用通用定時器中斷事件的方法來啟動ADC 模塊的轉換。系統初始化完成后，定時器T1 開始計數，等到周期中斷時啟動ADC 轉換，進入ADC 中斷；在ADC 中斷程序中，DSP 將ADC 轉換后的數字量信息經過一些預處理得到實時的電機端驅動力狀態信息。ADC 采樣時執行過采樣算法，程序中對每個通道采樣3 次，3 次采樣平均值比單次采樣精度高。同時，本研究實現了運動控制算法，控制電機速度隨所測壓力值的增大而減小，最后通過壓力值的變化情況判定假手是否實現穩定抓握，穩定則電機停止運轉。

程序流程圖如圖6 所示。

圖6 控制軟件流程圖

3 假手的抓握實驗

根據前文所述的假手控制系統的設計，筆者研制出了假手樣機，并進行了以下實驗：①抓取效果測試；②驗證力反饋的必要性。

3.1 抓取效果測試

本研究通過基于電機輸出力的反饋信號，對假手進行了柔順控制，進行了大量的抓取物體試驗。假手抓握和捏取實物實驗如圖7 所示。該假手分別對大球、方筆筒、圓筒杯子進行包絡抓取，對小球進行捏取。

試驗結果表明：對于不同形狀、不同材質的物體，不管是抓握還是手指捏取，該假手都能達到滿意的抓握效果。

3.2 驗證力反饋必要性

圖7 假手抓握和捏取實物實驗

圖8 假手無力反饋時抓握杯子

實驗中，本研究對相同物體分別采用了有力反饋和無力反饋的兩種控制模式。無力反饋時圓筒杯子抓握情況如圖8 所示。通過和有力反饋圓筒杯子抓握情況（如圖7（c）所示）對比，假手在包絡杯子后，由于沒有力反饋信息，電機仍然拉動手指繼續彎曲，手指用力過大，導致杯子滑向一側，難以實現穩定抓取。

4 結束語

本研究介紹了欠驅動假手的機械結構，然后在該基礎上提出了結構簡單、開發周期短、具有力反饋的控制系統，完成了控制系統的軟、硬件設計，最后，進行了抓握效果測試和驗證力反饋必要性的實驗。實驗結果說明該欠驅動假手能夠實現包絡自適應抓取，基于傳感器反饋的控制策略使得假手能夠實現穩定抓取。

下一階段需要在實驗結果的基礎上，優化控制策略，使機械手能夠盡可能多地復現人手常用的各種模式，并能對這些模式給出力學性能方面的評價。

（References）：

[1]鄭修軍，張 鍵，陳中偉，等.肌電假手的研究現狀[J].中國康復醫學雜志，2003，18（3）：168-170.

[2]DECHEV N，CLEGHORNW L，NAUMANN S.Multiple fin?ger，passive adaptive grasp prosthetic hand[J].M echanism and M achine Theory，2001，36（10）：1157-1173.

[3]CONNOLLY C.Prosthetic hands from touch bionics[J].In?dustrial Robot，2008，35（4）：290-293.

[4]劉 宏，姜 力.仿人多指靈巧手及其操作控制[M].北京：科學出版社，2010.

[5]熊有倫，熊蔡華.機器人多指抓取的研究進展和展望[J].華中科技大學學報：自然科學版，2004，32：5-10.

[6]MARIAPPAN M，JAN SM M，IFTIKHAR M.A Novel ap?proach for classification of underactuated mechanism in myoelectric hand[J].American Journal of Biomedical Engineering，2011，1（1）：35-40.

[7]PONS J L，ROCON E，CERES R，etal.The MA?NUS-HAND Dextrous robotics upper limb prosthesis：Me?chanical and manipulation aspects[J].Autonomous Ro?bots，2004，16（2）：143-163.

[8]林德龍.舵機驅動仿生四足機器人設計[J].機械，2011，38（2）：66-69.

[9]程衛衛，韓建海，陳 撿.下肢行走康復訓練機器人機械結構設計[J].機電工程技術，2011，40（9）：77-79.

[10]MASSA B，ROCCELLA S，CARROZZA M C，etal.Design and Development of an Underactuated Prosthetic Hand[C]//Proceedings of the 2002 IEEE International Confer?ence on Robotics&Automation，Washington DC：[s.n.]，2002：3374-3379.

[11]Texas Instruments Incorporated.Selecting the right lev?el-translation solution[M].Texas Instruments Incorporated，2004.

[12]Interlink Electronics Incorporated.Force sensing resistor in?tegration guide and evaluation parts catalog.[EB/OL].[日期不詳].http：//www.interlinkelectronics.com.

[13]Texas Instruments Incorporated.TMS320x281x DSP Event Manager（EV）Reference Guide[M].Texas Instruments In?corporated，2007.

[14]Texas Instruments Incorporated.TMS320x281x DSP Ana?log-to-Digital Converter（ADC）reference guide[M].Texas Instruments Incorporated，2005.