無線體感仿生機械手

孟令達++方俊杰++周雨

摘 要：針對市場需求，文中設計了一款由仿生機械結構和傳感器組成的機械手。該機械手可應用于排爆機器人，危險實驗等領域，可有力保障作業人員的人身安全，具有良好的社會效益與廣闊的應用前景。

關鍵詞：仿生；機械手；傳感器

1 作品簡介

該機械手由仿生機械結構手及傳感器手套組成，采用模塊化的設計理念進行設計。傳感器手套由手套，傳感器模塊，控制模塊，通信模塊組成，具體如圖1所示。

1.1 傳感器手套工作原理及圖示

控制模塊采用Arduino Nano控制板，其處理器采用高性能低功耗的AtmelAVR ATmega328芯片。

通信模塊采用nRF24l01模塊。Arduino Nano控制板及nRF24l01無線通信模塊如圖2所示。

傳感器模塊由flex 4.5英寸彎曲傳感器和22 kΩ固定電阻構成，彎曲傳感器在彎曲時其電阻變大，彎曲傳感器接22 kΩ固定電阻，傳感器和電阻間接5 V電壓，控制模塊測量固定電阻的電壓變化，將其電壓變化的數據處理變為舵機轉動的角度數據，后通過無線模塊發送給機械手部分，使之完成相應動作。電壓測量原理圖如圖3所示。

1.2 仿生機械結構手設計原理及圖示

仿生機械結構手部分由機械模塊，動力模塊，單片機模塊，通信模塊組成。

機械模塊模仿人手關節，3D打印技術打印拼裝完成，理論上可以完成所有人手的動作。該部分共40個部件，每根手指有三個關節，手指可繞關節自由轉動。機械手各部件如圖4所示。組裝好的機械手如圖5所示。

動力模塊由五個SG90舵機構成，舵機轉動拉動線運動，從而帶動機械手各手指運動。每個舵機柄上連接兩根線，這兩根線分別連接在手指兩側，通過兩根線的運動帶動手指彎曲和張開。手指轉動原理如圖6所示。機械手動力模塊如圖7所示。

圖4 機械手部件

圖5 組裝好的機械手

圖6 手指轉動原理

圖7 機械手動力模塊

通信模塊采用nRF24l01模塊，其有效連接范圍約為100m。傳感器手套的通信模塊相連接，接受傳感器手套傳來的數據。

通信模塊接收數據后傳遞給控制板，控制板按照接收的數據控制舵機所轉動的角度，從而帶動手指轉動，讓機械手完成各種動作。

2 創新點

（1）該機械手使用仿生原理，模仿人手的骨骼架構，可以很好的完成人手的動作。

（2）將手指的彎曲程度通過傳感器電阻的變化處理為可被單片機捕捉的電信號，將手指的動作轉化為數據，將具體的動作數字化，實現人和機器真正的交融。

（3）該機械手摒棄傳統機械手程序控制或者按鍵控制這些不方便的控制方式，利用體感方式極大地提高了機械手的精確度和可操控性，機械手完全同步人手的動作，通過人手的動作隨心所欲控制機械手的動作，簡化控制。使用該機械手的人員無需培訓即可使用，為從事危險工作或者接觸危險品工作人員的安全提供保障。

（4）該機械手和傳感器手套通過無線模塊連接，其有效連接范圍約百米，簡化了線材的使用，人可遠距離無線操控機械手。

（5）將電子電路、單片機和機械機構巧妙結合，運用于解決與人類活動相關的執行操作。機械手成本低，卻可以達到較高的精確度。

3 市場前景

該機械手應用廣泛，可大量應用于危險工作的場景。

（1）可用于排爆機器人。將該機械手裝置于排爆機器人，人可遠程通過手部動作操控機械手進行爆炸物的拆除，通過體感方式大大增加了可操控性及精確性，同時還降低了機械手使用的難度，數據也可通過無線方式傳輸，人在安全區域操作，最大程度保障拆彈人員的安全。

（2）應用于危險實驗場景。人可以通過體感方式操控機械手來做一些危險的實驗，無需直接接觸危險品，大大降低了危險化學實驗的危險性。

（3）應用于潛艇的機械臂及機械手。使用高強度材料打造機械手，可應用于深海潛艇作業，人通過體感方式直接操控機械手，大大增加了機械手的靈活性和可操控性，更降低了海底作業的難度。

該機械手制作成本低，用途廣泛，使用方法簡單，彌補了當前社會上機械手不易操控，精確性低等缺點。若能批量生產投放相應市場，必能產生巨大的經濟利益。