繩索驅動型擬人機械手研制*

黃廣偉，陳浩華，趙天嬋，張攀峰

（1.東莞理工學院城市學院智能制造學院，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行危險工作的需求，諸多學者對擬人機械手進行了研究。宋釗杰、韓建海等[1]通過基于仿生學相關理論提出了一種氣壓驅動扇形柔性關節仿人機械手；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，通過語音控制實現對目標物體的抓取；徐昱琳、徐粟軒等[3]在仔細研究了人手的構造之后，設計出了一款擬人性五指靈巧手。張習燁、唐新星等[4]通過探究人手的基本結構特性，開發了一套擬人手的控制系統，并在深入研究了擬人手的驅動機制和相應的運動效果后，構建出了一種欠驅動模型。美國麻省理工學院和猶他大學聯合研發的Utah/MIT 擬人手[5]；美國斯坦福大學研制的Stanford/JPL[6]擬人手；HuagenWan等[7]對手的外觀做了細致紋理修飾，使其更逼真，并構建了幾種抓取手勢；Jacob等[8]提出了一種柔性虛擬手模型，實現相對繁雜的人手抓取與操作行為。

但擬人手面臨著結構特性復雜或性能不佳等問題，此問題主要由擬人手實現精確抓取效果從而導致擬人手機械結構設計繁雜，運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，本文采用了與目標物品相適應的抓取策略設計思路。在與人手外形相似的條件下，設計了一款在形態上和功能上都與人手相近的繩索驅動型擬人機械手。

1 擬人機械手的結構設計

1.1 擬人手的總體結構

通過對人手結構人體工學的探索，合理簡化了手部的自由度[9]，以人手結構為基礎，結合人手部的實際及理論尺寸，人手是一個多肢節體系，大致包含手臂、手指、手掌和手腕4大部分[10]。使用SolidWorks構建了擬人手的三維模型，其總體結構如圖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），其實物由3D 打印機打印而成，實體模型如圖2所示。

圖1 擬人手的三維模型

圖2 擬人手的實體模型

1.2 擬人手手指設計

手指結構包括遠端指節、中端指節、近端指節、遠端指關節、中端指關節，手指結構如圖3所示。

圖3 手指結構

圖4 手指繩索驅動原理

手指主要通過兩根繩索來實現其運動，兩根繩索分別穿過近、中、遠指節的內腔后在指尖中心位置處相互打一個繩結，即相當于在手指中心軸線位置形成一個中心固定點，當電機驅動繞線輪逆時針旋轉時，手指彎曲、當電機驅動繞線輪順時針旋轉時，手指伸展，其繩索驅動原理如圖4所示。

1.3 擬人手手掌設計

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。考慮到結構的靈巧性，采用模塊化設計方法，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，其結構如圖5所示。

圖5 手掌結構

為了能讓繩索穿過其中心與前臂里的驅動模塊相連接，設計了繩索的穿行通道，其結構如圖6所示。

圖6 手掌的穿繩通道

2 擬人機械手控制系統設計

2.1 擬人手控制系統整體架構設計

擬人機械手工作原理是：通過點擊智能終端上的APP 進行控制指令的輸出，該指令通過手機藍牙和HC-05 藍牙模塊之間的通信協議完成輸送；指令輸送到微控制器（型號為Arduino Mega 2560）后，微控制器對指令進行整合、識別并將其轉化為PWM信號，通過該信號對5個伺服電機進行聯動控制，從而實現擬人機械手抓握、打手勢、旋轉等動作。其系統整體架構如圖7所示，其中1號電機驅動拇指，2號電機驅動食指，3 號電機驅動中指，4 號電機驅動無名指，5 號電機驅動小指，6號電機驅動手腕。

圖7 系統的整體架構

2.2 擬人手控制系統電路設計

控制系統以Arduino Mega 2560 微處理器為控制器，HC-05藍牙通信模塊實現控制數據的通信，6個伺服電機分別實現5根手指彎曲、伸展、手臂的旋轉等運動。其整體電路連接如圖8所示。

圖8 整體電路連接圖

2.3 擬人手控制系統軟件設計

在個人PC 機上使用Arduino 語言在IDE 軟件進行編程，通過其編譯的程序直接下載到開發板即可進行相應的控制，編程方便可靠。

啟動Arduino開發板后，開發板首先進行初始化，隨后等待智能移動終端的藍牙和HC-05 藍牙模塊的信號連接；當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，自動進行儲存；開發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動模式，如果是靜止模式，則馬上終止擬人手的運動；若為運動模式，則將所接收到的指令逐一轉化為各個伺服電機的控制指令。控制程序中定義Thumb標記為拇指電機，index標記為食指電機，middle 標記為中指電機，ring 標記為無名指電機，little 標記為小指電機，wrist 標記為腕關節電機，其控制程序的流程如圖9所示。

圖9 控制程序流程

2.4 智能終端軟件系統的搭建

為更好地實現人機交互，本文開發了一款基于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 鍵用于實現與HC-05 連接，one 鍵用于實現2 指伸直動作（OK 手勢），two 鍵用于實現3 指伸直動作，three 鍵用于實現五指握拳動作，four 鍵用于實現腕關節轉動動作。

圖10 移動智能終端APP

圖11 擬人機械手的實驗現場

3 擬人機械手實驗

為了驗證擬人機械手的靈活性，動作的正確性，對擬人機械手進行現場驗證，擬人機械手的實驗現場如圖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，打開智能終端藍牙，連接HC-05 藍牙模塊，在客戶端輸出指定命令，觀察擬人手是否按照預設動作運行。經現場驗證表明，擬人機械手控制系統的穩定性能、響應性能良好、準確率高、能靈活實現預定的動作，運行效果良好，達到了預期要求，實驗結果統計如表1所示。

表1 實驗結果統計

4 結束語

本文通過對人手結構特性分析，以人手結構為基礎，使用SolidWorks 設計了擬人機械手的三維模型，其往復式雙繩索驅動設計，使機械手具有更高仿真性及靈巧性，使用Arduino Mega 2560微處理器、HC-05藍牙模塊相互通信并傳輸控制數據，能實現高效快速的通信，擬人機械手具有更高的靈活性及響應能力，為后續研究提供了理論及實踐依據。