基于DSP 的仿人形假手控制系統(tǒng)研究*

張可科，熊蔡華，賀 磊，熊大柱

（華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

理想的假手應(yīng)在形狀和功能上與真手一樣，它不僅能替代人手的感覺和運動功能，而且還要像人手一樣具有優(yōu)美的外形，但目前的技術(shù)還遠遠達不到這個理想的要求[1]。

隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，一些研究者試圖研制出更加精巧的靈巧手，研究的方法和手段主要包含4 個方面：①人手基本生理結(jié)構(gòu)的研究；②手爪模擬人手的結(jié)構(gòu)和功能；③手爪感知系統(tǒng)的研究；④手爪控制方法的研究。目前該研究已取得了一些重要的成果，相繼有一批著名的多關(guān)節(jié)多指靈巧手問世。作為殘疾人假肢使用的假手，如加拿大的TBM 手[2]，英國的I-limb 手[3]等，其結(jié)構(gòu)簡單，體積重量與人手相近，具有裝飾功能。目前已投入使用的商用假手多數(shù)只有1～3 個自由度。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學和德國宇航中心最新研制了集成度和擬人化程度高的五指仿人手，該手具有很強的操作能力，但質(zhì)量有1.5 kg[4]，不適用于假肢場合。為了實時、有效地控制機器人多指手，機器人多指手自由度不宜過多[5]。最近有研究稱假肢手的最佳驅(qū)動數(shù)為3 個[6]。為了減少驅(qū)動數(shù)，一些假肢手嘗試用一個電機驅(qū)動同時驅(qū)動拇指的彎曲和側(cè)擺，例如MANUS 手[7]，但是傳動機構(gòu)過于復雜。

傳統(tǒng)驅(qū)動方式控制電路復雜、體積大，影響控制的可靠性，軟件設(shè)計工作量也大[8-9]。Shigeo Hirose 于1978 年首先提出了繩索式欠驅(qū)動機構(gòu)，奠定了欠驅(qū)動研究的基礎(chǔ)。欠驅(qū)動的基本原理是系統(tǒng)的驅(qū)動數(shù)少于自由度數(shù)。本研究將假手引入欠驅(qū)動機構(gòu)，欠驅(qū)動機構(gòu)的優(yōu)勢是給控制系統(tǒng)帶來了方便，實現(xiàn)單個電機驅(qū)動多個自由度，實現(xiàn)對各種物體的包絡(luò)自適應(yīng)抓取。采用欠驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計原理后，外圍電路簡單，可靠性高，減少了電路板的尺寸。

基于上述思想，本研究對欠驅(qū)動假肢手進行相關(guān)硬件電路的設(shè)計和軟件的編寫，并對假手中使用的壓力傳感器進行標定，在此基礎(chǔ)上，對生活中不同物體進行包絡(luò)抓取和捏取實驗。

1 多自由度假手系統(tǒng)介紹

1.1 假手整體概述

為了完全仿人手，假肢手的設(shè)計要求為：體積小、重量輕、外形擬人；假肢手采用欠驅(qū)動機構(gòu)，能完成各種日常的抓握操作。

本研究所研制的欠驅(qū)動耦合假手如圖1 所示。它共有5 根手指，拇指2 個關(guān)節(jié)，其他手指各3 個關(guān)節(jié)，還包括拇指的側(cè)擺運動，共15 個活動關(guān)節(jié)，總重量約為550 g；和人手相比，其尺寸、重量和成年人人手相近。

圖1 欠驅(qū)動耦合假手

整個手掌15 個自由度僅用3 個電機驅(qū)動，機械結(jié)構(gòu)主要包括：手指欠驅(qū)動機構(gòu)、兩手指間差動機構(gòu)、大拇指側(cè)擺機構(gòu)。食指與中指由一個步進電機驅(qū)動，無名指與小指由另一個步進電機驅(qū)動，通過移動滑輪差動機構(gòu)來實現(xiàn)一個電機驅(qū)動兩個手指。拇指通過將槽輪結(jié)構(gòu)和曲柄連桿結(jié)構(gòu)耦合，實現(xiàn)了僅用一個電機驅(qū)動拇指的側(cè)擺和彎曲兩個方向的運動。

本研究選用的步進電機具有自鎖功能，以螺桿作為電機輸出軸，在電機外部通過一個外部驅(qū)動螺母和螺桿相嚙合從而實現(xiàn)直線運動。這樣做的優(yōu)點是大大簡化了設(shè)計，使得系統(tǒng)能夠在不安裝外部機械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線步進電機進行精密的線性運動。傳感器和電機都安裝在手掌內(nèi)部，減少鋼絲繩路徑布置的難度。

1.2 假手手指機構(gòu)方案選擇

手指機構(gòu)方案有兩種：繩索滑輪驅(qū)動式和連桿驅(qū)動式。繩索滑輪驅(qū)動式特點：結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)力臂恒定，手指輸出力較??；連桿驅(qū)動式特點：結(jié)構(gòu)不緊湊，關(guān)節(jié)力臂不恒定，手指易出現(xiàn)奇異形位，手指輸出力較大[10]。最后假肢手選用繩索驅(qū)動方案。因為這種手指機構(gòu)在抓握物體時，手指能夠自動調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度，完成對物體的包絡(luò)，增加抓握的穩(wěn)定性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

假手控制系統(tǒng)設(shè)計的目標是：手指能夠?qū)崿F(xiàn)多種抓取模式；控制各手指電機運動，完成閉環(huán)力控制；對其硬件要求是體積小、功耗低的嵌入式控制系統(tǒng)。

仿人手的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)以微處理器DSP TMS320 F2812 為核心，實時地對傳感器信號進行處理，完成各手指動作的協(xié)調(diào)運動及運動控制算法。

圖2 假手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件實現(xiàn)

仿人手控制系統(tǒng)完成了手指的位置和壓力信號采集，以及整個手掌的抓握控制。大拇指使用有刷直流伺服電機，實現(xiàn)拇指的側(cè)捏與彎曲運動；其余手指使用直線步進電機，實現(xiàn)手指的抓握運動。DSP 的事件管理器（EV）產(chǎn)生3 路獨立脈沖信號給3 個電機驅(qū)動器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）接收壓力傳感器的模擬信號；通用輸入/輸出（GPIO）接收8 個霍爾傳感器的開關(guān)信號。事件管理器A（EVA）的定時器1 用于啟動A/D；EVA 的定時器2 用于產(chǎn)生脈沖信號給拇指伺服電機；事件管理器B（EVB）的定時器3、4 用于產(chǎn)生脈沖信號給手指的步進電機。

2.1.1 電平轉(zhuǎn)換電路

由于DSP 的輸入/輸出引腳電平都是3.3 V，而霍爾輸入及電機脈沖信號和方向信號需要5 V，本研究需要設(shè)計3.3 V 和5 V 的電壓轉(zhuǎn)換電路[11]。

把8 路霍爾傳感器的5 V 電平轉(zhuǎn)化為DSP 可以接收的3.3 V 電平的電路，如圖3（a）所示。因為霍爾元件是漏極開路的，該電路需要上拉電阻。轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC541 同時起到降壓和緩沖的作用。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路

3.3 V-5 V 電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3（b）所示。芯片左端為DSP 輸出信號為3.3 V，經(jīng)過SN74HCT541 轉(zhuǎn)化為5 V后，輸出給3 個電機的脈沖輸入端和方向控制端，其中步進電機還具有使能端。

2.1.2 傳感器選擇及其處理電路

假手中用到8 個數(shù)字霍爾傳感器，其中6 個用來判斷手指彎曲的極限位置，2 個用來判斷拇指處于側(cè)捏還是抓握狀態(tài)。數(shù)字霍爾用在驅(qū)動傳動機構(gòu)中，用來限定電機螺桿上螺母的運動范圍，使其在電機導螺桿的兩個極限位置之間運動，以免損傷螺桿螺紋或其他零件。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，適合于假手這種狹小空間的應(yīng)用場合。

假手在抓取物體時，不只是通過機械位移夾取物體，在夾取物體時力反饋也很重要。假手的力反饋由壓力傳感器（FSR#400，Interlink Electronics）來實現(xiàn)[12]。傳感器厚度薄、直徑小，數(shù)據(jù)處理比較簡單，適合于假肢手的場合。

力傳感器采集被抓取物體的信息，并將物體的信息傳遞給控制系統(tǒng)，以此來優(yōu)化電機控制策略。整個機械手共使用了3 個壓力傳感器。電機螺母通過帶動滑塊上的滑輪可以使手指彎曲，通過測量螺母和滑塊之間的壓力可以間接測量出電機的驅(qū)動力。

FSR 信號處理電路如圖4 所示。為了避免對被采集的模擬信號產(chǎn)生干擾，調(diào)理電路的輸入阻抗需要非常大。電壓跟隨器用于緩沖壓力傳感器的輸入信號；RC 濾波器用于濾除高頻毛刺干擾；二極管起鉗位作用，防止模擬信號超出0～3.3 V 范圍。

圖4 FSR 信號調(diào)理電路

經(jīng)過信號處理電路后，DSP 接收到的是電壓值，所以為了得到壓力的大小，研究者必須做FSR 的標定實驗。本研究在FSR 的受力表面上分別加各種型號的砝碼。通過Matlab 擬合得到一條對數(shù)曲線，如圖5 所示。

曲線方程為：Vout=1.4976 ×ln(FFSR+1)

圖5 FSR 輸出電壓隨壓力的變化曲線

2.2 軟件實現(xiàn)

電機控制方式包括位置控制、速度控制和力矩控制3 種，由于包絡(luò)抓取最后電機的位置不確定，本研究采用速度控制的方式來控制電機。軟件實現(xiàn)主要涉及EV、ADC 和GPIO 模塊[13-14]的應(yīng)用。

本研究選用通用定時器中斷事件的方法來啟動ADC 模塊的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)初始化完成后，定時器T1 開始計數(shù)，等到周期中斷時啟動ADC 轉(zhuǎn)換，進入ADC 中斷；在ADC 中斷程序中，DSP 將ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信息經(jīng)過一些預處理得到實時的電機端驅(qū)動力狀態(tài)信息。ADC 采樣時執(zhí)行過采樣算法，程序中對每個通道采樣3 次，3 次采樣平均值比單次采樣精度高。同時，本研究實現(xiàn)了運動控制算法，控制電機速度隨所測壓力值的增大而減小，最后通過壓力值的變化情況判定假手是否實現(xiàn)穩(wěn)定抓握，穩(wěn)定則電機停止運轉(zhuǎn)。

程序流程圖如圖6 所示。

圖6 控制軟件流程圖

3 假手的抓握實驗

根據(jù)前文所述的假手控制系統(tǒng)的設(shè)計，筆者研制出了假手樣機，并進行了以下實驗：①抓取效果測試；②驗證力反饋的必要性。

3.1 抓取效果測試

本研究通過基于電機輸出力的反饋信號，對假手進行了柔順控制，進行了大量的抓取物體試驗。假手抓握和捏取實物實驗如圖7 所示。該假手分別對大球、方筆筒、圓筒杯子進行包絡(luò)抓取，對小球進行捏取。

試驗結(jié)果表明：對于不同形狀、不同材質(zhì)的物體，不管是抓握還是手指捏取，該假手都能達到滿意的抓握效果。

3.2 驗證力反饋必要性

圖7 假手抓握和捏取實物實驗

圖8 假手無力反饋時抓握杯子

實驗中，本研究對相同物體分別采用了有力反饋和無力反饋的兩種控制模式。無力反饋時圓筒杯子抓握情況如圖8 所示。通過和有力反饋圓筒杯子抓握情況（如圖7（c）所示）對比，假手在包絡(luò)杯子后，由于沒有力反饋信息，電機仍然拉動手指繼續(xù)彎曲，手指用力過大，導致杯子滑向一側(cè)，難以實現(xiàn)穩(wěn)定抓取。

4 結(jié)束語

本研究介紹了欠驅(qū)動假手的機械結(jié)構(gòu)，然后在該基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、具有力反饋的控制系統(tǒng)，完成了控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，最后，進行了抓握效果測試和驗證力反饋必要性的實驗。實驗結(jié)果說明該欠驅(qū)動假手能夠?qū)崿F(xiàn)包絡(luò)自適應(yīng)抓取，基于傳感器反饋的控制策略使得假手能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定抓取。

下一階段需要在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制策略，使機械手能夠盡可能多地復現(xiàn)人手常用的各種模式，并能對這些模式給出力學性能方面的評價。

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