一種仿人形機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真

李子揚(yáng)　袁夢(mèng)琦　張嘉洋　王鐘慧　朱炫

摘要：對(duì)一種手指為單自由度結(jié)構(gòu)的仿人形機(jī)械手進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了手指運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真;以單片機(jī)STM32F103作為主控器設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。研究表明，設(shè)計(jì)的機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈活，控制流暢，達(dá)到了預(yù)期的要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);控制系統(tǒng)

0 引言

如今工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)被大規(guī)模用于從事重復(fù)性高、任務(wù)繁重的工作，此類機(jī)械手的特點(diǎn)是工作環(huán)境較為固定，執(zhí)行動(dòng)作單一。但是，很多其他領(lǐng)域仍然需要人手才能完成任務(wù)，例如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、建筑工程、宇宙及海洋的開發(fā)等方面，需要依靠人手的靈活與人的決策，而工業(yè)機(jī)械手難以勝任。因此，人們迫切需要類似人手的多指靈巧機(jī)械手來完成上述作業(yè)[1]。

國(guó)外對(duì)仿人形機(jī)械手的研究比較早，目前已經(jīng)取得了較多成果，比如Pisa/IIT Soft Hand機(jī)械手[2]、日本立命館大學(xué)研究的機(jī)械手[3]、德國(guó)企業(yè)Ottobock設(shè)計(jì)的bebionic hand[4]等。而國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)70年代后期才開始對(duì)仿人形機(jī)械手展開研究，主要集中在一些高校和科研機(jī)構(gòu)，例如清華大學(xué)的手勢(shì)多變欠驅(qū)動(dòng)（GCUA）機(jī)械手[5]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT/DLR Ⅰ、Ⅱ多指靈巧機(jī)械手[6]等。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)仿人形機(jī)械手做了大量研究，但仿人形機(jī)械手還存在著一系列問題，例如價(jià)格昂貴，實(shí)時(shí)性不理想，設(shè)備笨重，多數(shù)處于研究階段，市場(chǎng)化程度較低等，這些都制約了其在實(shí)際中的應(yīng)用，使其未能大規(guī)模普及[1，7]。

本文提出的仿人形機(jī)械手采用單自由度結(jié)構(gòu)，用5個(gè)電機(jī)分別對(duì)5個(gè)手指進(jìn)行控制，并通過連桿式機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng);通過單片機(jī)控制舵機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一發(fā)送指令控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件來控制仿人形機(jī)械手。同時(shí)，本文提出了一個(gè)更便捷的人機(jī)交互方式，使仿人形機(jī)械手更加符合人類的操作習(xí)慣，簡(jiǎn)單高效;在機(jī)械與控制兩方面優(yōu)化了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)功能，大大提高了機(jī)械手的控制精度與靈活度。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使控制更加簡(jiǎn)便，本設(shè)計(jì)采用5個(gè)電機(jī)分別對(duì)5個(gè)手指進(jìn)行控制，每一根手指均采用單自由度結(jié)構(gòu)。考慮到機(jī)械手手部空間位置的限制，設(shè)計(jì)的機(jī)械手通過連桿式機(jī)構(gòu)與舵機(jī)相連進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手三維模型如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)手指的彎曲功能，設(shè)計(jì)了如圖2所示的連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)手指彎曲。

各連桿桿長(zhǎng)參數(shù)如表1所示。

1.1? ? 仿人形機(jī)械手手指運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如圖3所示，對(duì)于連桿I-G-C-D，連桿角度β1=106.59°，β2=82.50°;對(duì)于連桿B-C-F，連桿角度β3=183.12°;對(duì)于連桿E-F-H，連桿角度β4=156.04°。

對(duì)該連桿機(jī)構(gòu)建立閉環(huán)矢量方程如下：

1.2? ? 仿人形機(jī)械手手指運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

設(shè)置手指末端從-40°～40°，在MATLAB中對(duì)上一小節(jié)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，得到機(jī)械手手指末端的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

設(shè)定連桿的初始角度為-30°，主動(dòng)連桿以10（°）/s的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，仿真時(shí)間為5 s，仿真積分步長(zhǎng)為0.01 s，將在SOLIDWORKS中構(gòu)建的連桿三維模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到單自由度手指連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角、關(guān)節(jié)角速度、關(guān)節(jié)角加速度、指尖運(yùn)動(dòng)軌跡以及手指幾何構(gòu)型的仿真結(jié)果，如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

由圖5、圖6、圖7可以看出，在5 s仿真時(shí)間內(nèi)，連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)角位移、角速度、角加速度曲線光滑，連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，即不會(huì)給電機(jī)造成沖擊。

由圖8可以看出，基于該連桿機(jī)構(gòu)的手指末端運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的圓弧軌跡，該圓弧軌跡與先前MATLAB基于理論關(guān)系式計(jì)算出的軌跡基本上一致。同時(shí)由仿真動(dòng)畫可知，該模型可以很好地實(shí)現(xiàn)手指的彎曲，多個(gè)手指共同運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的握持功能，而且在運(yùn)動(dòng)過程中，各個(gè)連桿運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，滿足控制要求。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了控制機(jī)械手執(zhí)行指定的動(dòng)作，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

2.1? ? 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制需求，本文采用上、下位機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，上位機(jī)選用PC機(jī)，用于完成運(yùn)動(dòng)指令輸入、舵機(jī)速度設(shè)置等功能;下位機(jī)選用單片機(jī)，用于完成上位機(jī)指令的解讀和傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制。控制過程主要分為兩步：（1）系統(tǒng)初始化后，由上位機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給STM32單片機(jī);（2）運(yùn)動(dòng)指令經(jīng)單片機(jī)和舵機(jī)控制板處理之后發(fā)送給舵機(jī)，從而控制機(jī)械手做出相應(yīng)動(dòng)作。在此期間，通過傳感器采樣來檢測(cè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行以及判斷任務(wù)是否完成。

經(jīng)綜合考慮，本文選用單片機(jī)STM32F103作為主控芯片，這種芯片性能較好，運(yùn)算速度較快，且內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和多個(gè)I/O接口，能夠輸出多路PWM波，也能對(duì)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)算。主控電路的時(shí)鐘電路采用8 MHz外部晶振作為時(shí)鐘源，還包含32.768 kHz的RTC時(shí)鐘，可以方便地拓展電路[8]。另外，為了防止可能出現(xiàn)的故障，控制板上還設(shè)置了手動(dòng)復(fù)位按鈕。

本文選用MG995舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，數(shù)量為5個(gè)。這種舵機(jī)尺寸較小，重量較輕，方便通過PWM芯片進(jìn)行控制。選用精密旋鈕電位器作為角度傳感器，其型號(hào)為SV01A103AEA01，采用DC5 V電壓供電，線性精度±2%，有效旋轉(zhuǎn)角度333.3°，總電阻值10 kΩ。

為了便于控制舵機(jī)，本文采用舵機(jī)控制板對(duì)舵機(jī)進(jìn)行指令的統(tǒng)一傳送。控制時(shí)由主控芯片將指令轉(zhuǎn)化為規(guī)定格式后通過串口發(fā)送給控制板，再由控制板經(jīng)不同通道對(duì)5個(gè)舵機(jī)同時(shí)發(fā)送控制指令。控制板由3個(gè)L293D芯片組成，每個(gè)芯片可控制2個(gè)舵機(jī)，因此可以預(yù)留出一路舵機(jī)接口備用。為了保證電路正常運(yùn)行，控制板上還集成了電壓電流傳感器，用于監(jiān)測(cè)電路功率，防止過載。

2.2? ? 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用PID控制策略完成對(duì)舵機(jī)的控制，控制過程如圖10所示。

下位機(jī)軟件基于Keil 4開發(fā)平臺(tái)開發(fā)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，接收上位機(jī)傳來的對(duì)機(jī)械手的控制指令。上位機(jī)與STM32單片機(jī)之間采用串口通信，設(shè)定每100 ms發(fā)送一次控制指令，以免造成控制指令堆積。然后STM32單片機(jī)對(duì)所得指令進(jìn)行處理，發(fā)送給舵機(jī)控制板，再由舵機(jī)控制板控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)角度。傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)完成之后，發(fā)送反饋信息給單片機(jī)，單片機(jī)隨后進(jìn)入中斷程序。當(dāng)新的指令來臨，中斷結(jié)束。

上位機(jī)軟件采用Qt來設(shè)計(jì)。Qt是常用的C++軟件開發(fā)庫(kù)，組件豐富，拓展性高。開發(fā)的上位機(jī)軟件主要功能有對(duì)手指正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，與STM32單片機(jī)和舵機(jī)控制板進(jìn)行串口通信，發(fā)送控制指令等。

上位機(jī)的軟件界面如圖11所示。

該界面主要分為單指操作和多指協(xié)作兩部分，使用時(shí)點(diǎn)擊“開始”，然后根據(jù)動(dòng)作要求點(diǎn)擊“單指操作”或“多指協(xié)作”，拉動(dòng)滑塊即可對(duì)規(guī)定的手指進(jìn)行控制。界面最右端可以通過調(diào)節(jié)發(fā)送給舵機(jī)的占空比來調(diào)節(jié)舵機(jī)運(yùn)行的速度，達(dá)到舵機(jī)能夠較為精確地移動(dòng)到位的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種采用單自由度結(jié)構(gòu)、由連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，采用5個(gè)電機(jī)分別對(duì)5個(gè)手指進(jìn)行控制，優(yōu)化了機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)和傳導(dǎo)。對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)械手進(jìn)行仿真和調(diào)試，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的機(jī)械手在操作時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的圓弧軌跡。同時(shí)，在機(jī)械手實(shí)現(xiàn)握持時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也較為平穩(wěn)，能夠滿足預(yù)期的控制要求。機(jī)械手的控制系統(tǒng)能夠?qū)?個(gè)舵機(jī)同時(shí)發(fā)送控制指令，并監(jiān)控電路功率，防止運(yùn)行過載。在軟件上，設(shè)計(jì)的仿人形機(jī)械手采用Qt進(jìn)行開發(fā)，使得上位機(jī)軟件具有良好的可拓展性，從而能夠更好地適應(yīng)未來的硬件更新需求。

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收稿日期：2021-02-24

作者簡(jiǎn)介：李子揚(yáng)（1999—），男，江蘇濱海人，研究方向：機(jī)械電子工程。