基于STM32的無(wú)線仿生機(jī)械手與穿戴式控制器設(shè)計(jì)

摘要：機(jī)器人技術(shù)研究是一個(gè)至關(guān)重要的熱門(mén)領(lǐng)域，機(jī)械手是完成各種任務(wù)的主要結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械手缺乏靈活性，不適合極端的工作環(huán)境。為了解決大多數(shù)機(jī)械手由于微型計(jì)算機(jī)或程序控制的限制而與人手缺乏同步的問(wèn)題，文章開(kāi)發(fā)了一種15自由度無(wú)線同步仿生機(jī)械手系統(tǒng)。該系統(tǒng)從身體感應(yīng)機(jī)械手套收集實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并將其無(wú)線傳輸?shù)椒律鷻C(jī)械手；使用微分算法，操縱器調(diào)整轉(zhuǎn)向器的旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人手運(yùn)動(dòng)的同步模擬。

關(guān)鍵詞：穿戴式控制器；仿手形；運(yùn)動(dòng)同步

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

機(jī)械手是機(jī)器人領(lǐng)域中最常用的終端執(zhí)行工具，占據(jù)著至關(guān)重要的位置。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械手缺乏在許多領(lǐng)域執(zhí)行精細(xì)操作所必需的靈活性。仿生機(jī)械手模仿了人手的形狀和功能，通過(guò)關(guān)節(jié)連接提供更獨(dú)立的手指控制。仿生機(jī)械手可以代替人完成危險(xiǎn)的生化實(shí)驗(yàn)，也可以利用仿生機(jī)械手完成戰(zhàn)場(chǎng)排雷、核料搬運(yùn)等惡劣條件下的工作。仿生機(jī)械手最早于1963年開(kāi)發(fā)，是Tomovic和Boni為南斯拉夫的一位傷寒患病者研制的 Belgrade 手。21世紀(jì)初，英國(guó) Shadow 機(jī)器人公司研制開(kāi)發(fā)了Shadow 五指仿人機(jī)械手，其外形接近人手，具有19個(gè)自由度，采用繩索傳動(dòng)方式，將驅(qū)動(dòng)部分及電氣部分等放置在前臂內(nèi)，靈活性較高，但機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)十分昂貴^［1］。2000年，英國(guó)南安普敦大學(xué) C.M.Light 等研制的輕型自適應(yīng)多軸機(jī)械手，能夠用最小的力對(duì)物體保持穩(wěn)定抓取。2011年，崔鵬等^［2］采用腱傳動(dòng)式仿生機(jī)械手取代了簡(jiǎn)單的夾具，提高了末端執(zhí)行器的適應(yīng)性。2018年南卓江等^［3］研發(fā)了一種質(zhì)量輕且具有良好柔順性、靈巧性的仿生機(jī)械手。大多數(shù)機(jī)械手往往通過(guò)程序控制，難以具備人手同等的能力和效率。同步仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了程序，還使機(jī)械手的使用更加便捷。

1 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)研究中，同步仿生機(jī)械手控制仿生機(jī)械手復(fù)制真實(shí)人手的動(dòng)作。使用主從系統(tǒng)控制仿生手掌，該主從系統(tǒng)測(cè)量手部運(yùn)動(dòng)期間每個(gè)關(guān)節(jié)的位移信號(hào)和人類手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以獲得手掌的運(yùn)動(dòng)角度^［4］。生成的數(shù)據(jù)通過(guò)通信系統(tǒng)傳輸?shù)酵椒律鷻C(jī)械手的驅(qū)動(dòng)器，然后該驅(qū)動(dòng)器使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器執(zhí)行相同的命令動(dòng)作。

該設(shè)計(jì)包含多組驅(qū)動(dòng)裝置，使操縱器能夠旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)底座和手腕結(jié)構(gòu)采用金屬齒輪舵機(jī)，以增加扭矩，而微型舵機(jī)允許5個(gè)手指獨(dú)立移動(dòng)。

整體控制系統(tǒng)組成。同步仿生機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)都以STM32103單片機(jī)作為主控制器。穿戴式控制器連接5個(gè)Flex4.5彎曲傳感器對(duì)應(yīng)仿生手的5根手指，傳感器的彎曲程度能夠轉(zhuǎn)化為電阻值的變化。穿戴式控制器通過(guò)彎曲傳感器采集人手的運(yùn)動(dòng)信息后，通過(guò)無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)傳送至仿生機(jī)械手的從控制器，從控制器接收到相應(yīng)控制信息后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的舵機(jī)以對(duì)應(yīng)的角度值運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)穿戴式控制器與仿生機(jī)械手的同步實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)。具體控制流程如圖1所示。

2 仿生機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手控制電路主要以STM32單片機(jī)1組模擬SPI同步串行通信接口連接nRF24L01無(wú)線通信模塊接收穿戴式控制器姿勢(shì)數(shù)據(jù)，并輸出7路高精度PWM號(hào)控制舵機(jī)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的手指跟隨。

2.1 最小系統(tǒng)

如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103 C8T6芯片。它有32條地址總線，最大尋址空間為4 GB。STM32F103C8T6芯片主頻為72 MHz，供電電壓為2.0～3.6 V，含有37個(gè)I/O口，可以映射到16個(gè)外部中斷，容忍5 V信號(hào)^［5］。此外，它還包含64 K或128 K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器和多達(dá)20 K字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。手部運(yùn)動(dòng)的測(cè)量在仿生機(jī)械手的精確控制中起著至關(guān)重要的作用。因此，采用電位采集傳感器來(lái)測(cè)量手指的彎曲程度。檢測(cè)到的信號(hào)被轉(zhuǎn)換并通過(guò)藍(lán)牙或USB接口發(fā)送到操縱器，使操縱器能夠執(zhí)行所需的移動(dòng)。

2.2 姿態(tài)傳感器模塊

九軸姿勢(shì)傳感器模塊MPU9250相當(dāng)于3顆3軸傳感器：加速器計(jì)-Accelerator、陀螺儀-Gyroscope、磁力計(jì)-Magnetometer的合體^［6］。MPU9250芯片內(nèi)置16 bit AD轉(zhuǎn)換器，16位數(shù)據(jù)輸出；支持I2C與SPI協(xié)議。陀螺儀范圍：±250，500，1 000，2 000°/s；加速度范圍：±2，±4，±8，±16 g；磁場(chǎng)范圍：±4 800 μT；I2C通信速度400 kHz，SPI通信速度最高可達(dá)1 MHz。利用物體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度、角速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度的信息，經(jīng)DMP初始化、調(diào)用DMP庫(kù)、四元數(shù)解等微處理器處理相關(guān)數(shù)據(jù)后，將物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)信息記錄到計(jì)算機(jī)，如圖3所示。

2.3 nRF24L01通信模塊

本設(shè)計(jì)采用nRF24L01無(wú)線收發(fā)器模塊作為通信介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換功能。nRF24L01工作在2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，提供2 Mbps的無(wú)線傳輸速率和125個(gè)工作頻率點(diǎn)。該模塊集成了頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器^［7］。它支持多點(diǎn)通信、跳頻通信、丟失數(shù)據(jù)的自動(dòng)重傳和響應(yīng)信號(hào)的自動(dòng)生成，可以滿足各種通信需求。nRF24L01還具有內(nèi)置FIFO數(shù)據(jù)緩沖器和高速同步串行通信SPI接口，可與大多數(shù)高速和低速微處理器進(jìn)行通信。通過(guò)6個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)信道，它可以在不同的電源頻率下實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的無(wú)線通信，允許在相同的電源頻率上使用1～6個(gè)收發(fā)器。針對(duì)可穿戴控制器和機(jī)械手控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計(jì)選擇了相同功率頻率的1對(duì)1收發(fā)器模式。

2.4 DS3120舵機(jī)

圖3 姿態(tài)傳感器模塊

仿生機(jī)械手的跟隨動(dòng)作依賴于單片機(jī)向舵機(jī)發(fā)送精確的PWM控制信號(hào)，以確保精確的角度旋轉(zhuǎn)。為操縱器選擇轉(zhuǎn)向器時(shí)，必須考慮工作電壓、扭矩、速度和尺寸等因素。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇了DS3120雙軸數(shù)字轉(zhuǎn)向器，該型號(hào)舵機(jī)運(yùn)行溫度在-15～70 ℃，工作電壓范圍為4.8～6.8 V，驅(qū)動(dòng)方式為PWM波，脈波寬度范圍為500～2 500 μs，含有堵轉(zhuǎn)保護(hù)機(jī)制，堵轉(zhuǎn)6 s后，舵機(jī)在當(dāng)前位置鎖定并保持50％扭矩，可實(shí)現(xiàn)360°正反轉(zhuǎn)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主要控制流程

穿戴式控制器完成單片機(jī)內(nèi)部資源的初始化之后，分別對(duì)無(wú)線通信模塊nRF24L01和九軸姿勢(shì)傳感器模塊MPU9250進(jìn)行自檢，自檢完成后在單片機(jī)中斷程序中接收姿態(tài)傳感器回傳數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并發(fā)送。同時(shí)仿生機(jī)械手初始化完畢，選擇模式后經(jīng)指令處理輸出PWM波形，DS3120角度舵機(jī)接收信號(hào)后開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，達(dá)到仿生機(jī)械手跟隨穿戴式控制器運(yùn)動(dòng)的目的，如圖4—5所示。

3.2 姿態(tài)傳感器

因傳感器的軸線偏離重力作用方向，所以在姿態(tài)傳感器開(kāi)始使用前，需要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。上電后，設(shè)計(jì)傳感器執(zhí)行次數(shù)，然后保存這個(gè)零偏。每次上電得到的零偏都不同，所以需要每次都校準(zhǔn)一次。

3.3 手指彎曲控制

當(dāng)手指彎曲時(shí)，會(huì)導(dǎo)致高精度電位計(jì)旋轉(zhuǎn)，從而使電位計(jì)滑動(dòng)端的分電壓值在0～5 V。A/D轉(zhuǎn)換器讀取該電壓值以確定電流彎曲方向和程度。STM32含有逐漸逼近型12位18通道數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可測(cè)量16個(gè)外部和兩個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。數(shù)據(jù)將儲(chǔ)存在16位數(shù)據(jù)寄存器中。然而，單芯片A/D轉(zhuǎn)換器一次只能轉(zhuǎn)換一個(gè)模擬輸入通道的電壓信號(hào)。因此，單片機(jī)的模擬輸入通道0～4用于依次輪詢對(duì)應(yīng)于5個(gè)手指的高精度電位計(jì)的分電壓。為了獲得穩(wěn)定準(zhǔn)確的手指彎曲數(shù)據(jù)，文章采集了50輪數(shù)據(jù)，并將平均值作為一次手指彎曲采集的結(jié)果。為了確保穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，文章選擇了單芯片A/D轉(zhuǎn)換器的最慢轉(zhuǎn)換速度。手指彎曲數(shù)據(jù)被讀取并存儲(chǔ)在單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序中。

4 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完成仿生機(jī)械手的程序設(shè)計(jì)之后，需要對(duì)人手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，完成機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

4.1 人手結(jié)構(gòu)分析

人類手的骨骼結(jié)構(gòu)分為3部分，即指骨、掌骨和腕骨，指骨負(fù)責(zé)大部分手勢(shì)動(dòng)作^［8］。通常，一只手上有14個(gè)指骨，拇指有兩塊骨頭，其他手指各有3塊。通過(guò)全面了解人手的結(jié)構(gòu)，包括每個(gè)手指中每個(gè)指骨的長(zhǎng)度和手掌的粗略尺寸，可以建立用于設(shè)計(jì)仿生機(jī)械手的初始參考尺寸系統(tǒng)。

4.2 手指分析

4.2.1 4指建模分析

仿生機(jī)械手的4根手指，各有3個(gè)關(guān)節(jié)和3個(gè)連桿。對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，其中角度θ為兩關(guān)節(jié)之間的夾角，L為每節(jié)關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度。運(yùn)用D-H坐標(biāo)法建立機(jī)械手指的坐標(biāo)系如圖6所示。

依據(jù)所設(shè)計(jì)的D-H結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到各連桿其次變換矩陣如下：

A₁=Rot（Z₀，θ₁）Trans（a₁，0，0）（1）

A₂=Rot（Z₁，θ₂）Trans（a₂，0，0）（2）

A₃=Rot（Z₂，θ₃）Trans（a₃，0，0）（3）

其中Rot（Z，θ）為當(dāng)物體繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ時(shí)，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣表達(dá)式：

只發(fā)生位置的改變，而不產(chǎn)生形變可以稱之為平移變換。對(duì)于機(jī)械手而言，如果只是進(jìn)行空間位置的變化，那么可以在其位置矢量左乘一個(gè)變換矩陣來(lái)表示：

則仿生機(jī)械手指坐標(biāo)系對(duì)于固定坐標(biāo)系的位姿T為：

其中

C₁₂₃=cos（θ₁+θ₂+θ₃）

S₁₂₃=sin（θ₁+θ₂+θ₃）

C₁₂₌cos（θ₁+θ₂）

S₁₂₌sin（θ₁+θ₂）

C₁₌cosθ₁

S₁₌sinθ₁（7）

4.2.2 4指工作空間分析

通過(guò)程序設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行建模仿真，以便于對(duì)研究目標(biāo)進(jìn)行特定分析，為解決實(shí)際問(wèn)題提供數(shù)據(jù)支撐與指導(dǎo)。使用MATLAB中針對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的RoboticsToolbox工具箱，通過(guò)其中的Link函數(shù)建立3自由度機(jī)械手模型，為工作空間的分析提供模型支撐，如圖7所示。

使用蒙特卡羅方法對(duì)機(jī)械臂工作空間進(jìn)行分析，根據(jù)確定好的關(guān)節(jié)變換范圍通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真，每個(gè)變量范圍設(shè)定生成2萬(wàn)個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，生成的作業(yè)范圍如圖8所示。

從圖8可知，以基座為中心，作業(yè)機(jī)械臂在X軸方向上的作業(yè)范圍距離在-50～50 cm，總范圍為100 cm，在Y軸方向的作業(yè)范圍在-50～50 cm，總距離為100 mm，在Z軸方向上的作業(yè)范圍在-40～70 cm，總距離為110 cm。同時(shí)作業(yè)空間點(diǎn)的分布呈現(xiàn)均勻的狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)缺失現(xiàn)象，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)物測(cè)試主要是檢測(cè)在抓取不同形狀物體時(shí)機(jī)械手是否能跟隨穿戴控制器做出多手指同時(shí)彎曲、抓取等動(dòng)作。通過(guò)觀察仿生機(jī)械手與穿戴式控制器的動(dòng)作是否一致驗(yàn)證機(jī)械手的控制程序，通過(guò)觀察仿生機(jī)械手手指的活動(dòng)范圍驗(yàn)證機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，如圖9—10所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)STM32芯片對(duì)仿生機(jī)械手及穿戴式控制器進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)人手的結(jié)構(gòu)分析對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了穿戴式控制器與仿生機(jī)械手的同步抓取，并驗(yàn)證了該仿生機(jī)械手具有對(duì)不同外形的物體進(jìn)行準(zhǔn)確抓握的功能。

參考文獻(xiàn)

［1］姚振靜，潘杰，尚浩天，等．無(wú)線同步仿生機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［Ｊ］．現(xiàn)代制造工程，2020（7）：6.

［2］劉樂(lè)遠(yuǎn)，閆炳成，黃經(jīng)緯，等．用于肌肉電信號(hào)控制的仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真［Ｊ］．智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2021（3）：54-57.

［3］南卓江.楊揚(yáng).鈴森康，等.基于細(xì)經(jīng)McKibber型氣動(dòng)人工肌肉的仿生手研發(fā)［J］.機(jī)器人，2018（3）：321-328.

［4］宮立達(dá)．基于同步仿生手掌的機(jī)械手研發(fā)與應(yīng)用［Ｊ］．機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2021（3）：9-10.

［5］李瑞，玉剛，光輝．基于LoRa基站的滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［Ｊ］．電子測(cè)量技術(shù)，2021（17）：71-76.

［6］李文俊．Mixly開(kāi)源項(xiàng)目設(shè)計(jì)30會(huì)看門(mén)的米思狗——開(kāi)啟米思狗創(chuàng)客之［Ｊ］．中國(guó)信息技術(shù)教育，2019（5）：84-85.

［7］蔡欣．無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲嚎s感知重構(gòu)算法研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2018.

［8］張艷華，嘉鵬．仿手形機(jī)械手的設(shè)計(jì)仿真及實(shí)物驗(yàn)證［Ｊ］．機(jī)電工程技術(shù)，2021（11）：4.

（編輯 王雪芬）

Design of wireless biomimetic manipulator and wearable controller based on STM32

Zhao Zhenghong¹， Qiao Dong^2*， Li Bowen¹， Zhao Jie¹

（1.College of Coal Engineering， Shanxi Datong University， Datong 037009， China; 2.College of Architecture

and Geomatics Engineering， Shanxi Datong University， Datong 037009， China）

Abstract： The research of robot technology is a crucial and hot field， and the manipulator is the main structure to complete various tasks. However， the traditional manipulator lacks flexibility and is not suitable for extreme working environment. In order to solve the problem that most manipulators lack synchronization with human hands due to the limitation of microcomputer or program control， a 15-DOF wireless synchronous bionic manipulator system was developed. The system collects realtime motion data from the bodysensing mechanical glove and wirelessly transmits it to the bionic manipulator. Using the differential algorithm， the manipulator adjusts the rotation angle of the steering gear to realize the synchronous simulation of human hand movement.

Key words： wearable controller; imitating hand shape; motion synchronization