基于同步仿生手掌的機械手研發與應用★

宮立達

（閩南理工學院 實踐教學中心， 福建 石獅 362700）

1 研究意義

仿生手于1963 年作為假肢產品被研發出來，隨著技術的發展，單純的手工勞作已滿足不了工業自動化的要求，這種思想現在逐步轉變為在深海探測、戰場排雷、核料搬運以及航天設備檢修等會給現場操作人員帶來危害的高危操作場合替代人的機械手。在機械行業中，它主要用于零部件的組裝及在組合機床上被使用。但是機械手在實際使用時由于不同控制對象獨有特點會產生控制不精確，操作存在偏差等問題，所以研究一款能夠按照人腦思想通過同步仿生手發出控制命令，讓機械手通過接受仿生手發送的命令來完成人想讓機械手完成的任務具有十分重要的意義[1]。

2 研究內容

2.1 總體設計方案

本文研究的同步仿生機械手是通過接受由人腦控制的仿生手的指令來完成操作任務的。仿生手掌的主從控制通過測量人手運動時表面肌電信號得到人手指關節的運動數據，進一步得出手掌動作的運動角度，然后將數據通過通信系統發送給同步仿生機械手的驅動器，驅動器通過步進電機來驅動機械手完成相同的指令動作。本設計里面增加多組驅動裝置，使機械手不僅可以旋轉還可以上下運動，旋轉底座和手腕結構采用金屬齒輪舵機增加扭矩，采用微型舵機實現五指獨立運動。在機械手下方增加真空吸盤使機械手更加穩定[2]。

2.2 控制技術分析選擇

傳統控制系統采用繼電接觸器控制，不僅觸點多而且接線復雜，可靠性較差；PLC 控制更適合于大型的工業流程控制；基于神經網絡的智能控制效果較好卻又十分依賴被控對象精確的數學模型。模糊控制雖然不依賴數學模型，但是控制精度又不高，為了實現機械手控制的準確性、可靠性，由于單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，本文選擇STM32 型號單片機來實現數據收法、處理、儲存等的主芯片[3]。

3 具體設計

本設計中仿生手通過電位采集感應器檢測先到手指關節的動作，然后通過通信系統將數據發送給同步仿生機械手的驅動器，主控制器通過USB 串口接收仿生手發出的運動指令，驗證運動指令的正確性后，把運動數據分配給20 個步進電機的驅動芯片，控制步進電機轉動。步進電機與關節的對應關系如表1 所示。

表1 電機與關節對應關系

本設計選擇STM32F103C8T6 芯片，相比于其他型號的芯片，它是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32 系列的32 位的微控制器，程序存儲器容量是64 kB，需要電壓 2～3.6 V，工作溫度為 -40～85 ℃，見圖1。

為了更好地實現對仿生機械手的控制，對手部動作的測量十分重要，需要很高的檢測精度，本設計采用電位采集感應器來對手指的彎曲程度進行測量，將測量的信號進行相應的轉換，然后將信號通過藍牙或USB 接口發送給機械手，驅動機械手完成動作[4]，見圖2。

圖1 單片機主電路

圖2 傳感器接口電路

為了將仿生手的測量與機械手進行連接，本設計使用VC++10.0 平臺，編寫串口通信程序，通過RS-232C 串口，把符合通信協議的數據發送給集成電路板的主控器。并采用藍牙串口實現信號的無線傳輸，見圖3、圖4[4]，人手動作發送運動指令的速度要與主控制器接收運動指令的速度相同，以避免運動指令的丟失或堆積，保證步進電機運動的實時性和精確性[6]。

圖3 藍牙電路

圖4 USB 接口電路

4 結論

為了改善傳統機械手只能完成單一任務的不足之處，本文設計了一款能夠根據人的動作即人手動作發出指令完成相關指令的同步仿生手掌的機械手。采用單片機作為主要芯片，當傳感器檢測到指關節動作時，通過藍牙或USB 以及相關協議實現通信對接，對應關節的驅動步進電動機接收到信號完成指定的動作。本次設計里面增加多組驅動裝置，使機械手不僅可以旋轉還可以上下運動，從而達到設計出來的仿生機械手的動作比一般的機械手更加靈活，控制效果更好的目的。