基于stm32的仿生機械爪無線控制系統(tǒng)研究

鄧成成　鄒麗娟　郝志鵬　范子慷　李小華

摘要：探究了仿生機械爪的無線控制問題，設(shè)計組裝了一套完整的機械爪無線控制實體系統(tǒng)模型。控制端由精密電位器和STM32主控組成，用來采集不同的實時電阻值進行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)由藍牙模塊進行無線傳送，經(jīng)從機D/A轉(zhuǎn)換處理后產(chǎn)生控制信號。采用PWM對5路舵機進行精準驅(qū)動，從而實現(xiàn)仿生機械爪無線控制。

關(guān)鍵詞：機械爪； stm32單片機；無線控制；模擬信號舵機；電位器

一、前言

目前對機械爪的控制按驅(qū)動方式大致分為：氣動、液壓、電動三種方式，相比前兩者電動方式應(yīng)用技術(shù)更加成熟穩(wěn)定。而機械爪在重量、體積、靈活性和可操作性等各項性能指標與實際運用值依然存在不足，未來仍需要相關(guān)研究人員投入大量的研究精力[1-4]。目前，主控方面為了是機械手增強抗干擾能力多偏向于功能強大的單片機[5]，配以伺服舵機驅(qū)動，主要為（有線&無線）的點動、遙感、語音等控制[6-8]。而這些控制方式的靈活性性能顯然不足。于是，視覺成像，三維坐標建模技術(shù)隨之而來，但在有些場合并此種技術(shù)過于復雜可用性不高。基于以上研究，本項目在體感控制方向加以設(shè)計研究，用低成本的電位器作為系統(tǒng)的輸入量，加以數(shù)據(jù)優(yōu)化處理實現(xiàn)仿生機械爪的無線控制。

二、系統(tǒng)硬件總體設(shè)計：

（一）控制端口設(shè)計

角度信息采集傳感器與數(shù)據(jù)處理控制器。主控采用以Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F4高性能微控制器，相比于其它stm32F系列產(chǎn)品擁有自適應(yīng)實時加速器，獨立設(shè)置IO口的MODER，功耗更低、串口通信速度快、功耗低、使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，代碼可讀性高。主頻最大可達168MHZ，PWM功能強大，擁有多個12位A/D轉(zhuǎn)換器，超快數(shù)據(jù)傳送，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)并行處理。集成單精度FPU，提升控制算法的執(zhí)行效率，豐富的外設(shè)拓展接口。

角度傳感器由高精度RV24YN20SB502 0-5KΩ可調(diào)三引腳電位器完成，其阻值偏差小于10%，電氣角度大于300度，低功耗，壽命長，而價格昂貴的彎曲度傳感器彎曲到90度左右其電阻隨彎度變化性能大幅下降，經(jīng)試此型號電位器驗足以在本設(shè)計應(yīng)用。手指帶動電位器，產(chǎn)生的變化電阻值經(jīng)stm32微控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信息經(jīng)無線模塊發(fā)送到被控端。

（二）無線數(shù)據(jù)通訊模塊

經(jīng)過比較市場各種無線模塊最終選用HC-05主從機一體藍牙模塊，此模塊相比較ESP8266 WIFI模塊易于配對，兼容性好。穿透能力強，一般場地抗干擾能力強于NRF2401 無線收發(fā)模塊。且自帶電源防反接的保護設(shè)計，數(shù)據(jù)傳輸效率高。

（三）驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)

結(jié)合機械手爪的靈活性與準確性，選用電動驅(qū)動的小型伺服舵機，5個模擬量伺服舵機作為5根手指的動作關(guān)節(jié)。利用PWM方式根據(jù)接收到主控端發(fā)送的不同信號值調(diào)節(jié)不同的占空比從而使手爪機械部件做出預期的動作。

（四）手掌模型設(shè)計

利用硬質(zhì)亞克力板切割出掌背面，設(shè)計電位器組裝部，指尖用圓形套環(huán)連接，通過指關(guān)節(jié)傳動帶動電位器旋轉(zhuǎn)，令電位器始終在某一范圍內(nèi)變化，經(jīng)過相應(yīng)比例A/D轉(zhuǎn)換，高頻率掃描，將采集到的信號快速整理發(fā)送到被控端主處理器。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計：

（一）主控程序設(shè)計

使用KEIL軟件編寫程序，流程如圖三。主要包含：初始化系統(tǒng)程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)處理無線傳輸程序等。不同電位器因機械角度不同被采集測量到的電壓也不一樣，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)范化取平均值處理，存入數(shù)組串行口經(jīng)以配對的藍牙模塊發(fā)送給接收端口。同時為了便于調(diào)試，在電容式觸摸屏上軟件編寫人機界面，通過對圖形進度條的拖拽也可以產(chǎn)生相應(yīng)的信號，供控制器處理。

（二）驅(qū)動端程序設(shè)計

有效數(shù)字信號經(jīng)接收端無線藍牙模塊接收后，有另一控制器進行信號處理轉(zhuǎn)化。利用STM32軟件產(chǎn)生PWM波驅(qū)動各部分伺服舵機，使舵機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，通過轉(zhuǎn)軸上連接的機械旋臂帶動指關(guān)節(jié)的運動。部分程序C語言代碼如圖四。

結(jié)論： 本設(shè)計可實現(xiàn)手指的彎曲度快速采集，遠程無線控制機械手爪做出同樣動作。相比于傳統(tǒng)機械手按鍵遙控控制方式，極大提高了機械手的可控性與靈活性體驗感，簡化了連接導線的使用。佩戴方便，通過人手控制更加準確達到預期想法。加上記憶學習程序，增加了本設(shè)計的拓展性能，可以進行實時的現(xiàn)場動作學習，相比于傳統(tǒng)機械手控制每次變換固定動作，通過修改原程序，本設(shè)計更加方便快捷。該機械爪應(yīng)用范圍較廣，可用于示教機，危險排爆、搜救場合。配以履帶車人可以遠程遙控機械爪完成特定任務(wù)。降低了機械爪控制系統(tǒng)的總體成本，功能更加完善。雖然總體來說完成預期目標，但由于諸多因素，本實驗還存在一些不知處需要后期不斷加以完善。相比于有限控制，無線控制受限于無線模塊硬件的通信速率會出現(xiàn)短時的延遲動作。程序可再進行優(yōu)化處理降低指令條數(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法。為進一步提高同步性與實時性，后期還需學習相關(guān)知識理論繼續(xù)研究完善。

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作者簡介：鄧成成（1996-）男，遼寧科技大學電子與信息工程學院在讀本科生。