仿真人手同步遠(yuǎn)程控制機(jī)械手設(shè)計(jì)

彭小松，關(guān)葉佳，王楚虹

（1.廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院，廣東 湛江 524094；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

0 引言

機(jī)器人的出現(xiàn)大大改變了我們的世界，越來越多的機(jī)器人陸續(xù)研發(fā)出來。其中，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)、多自由度的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)國家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要體現(xiàn)[1]。機(jī)器手作為最重要的執(zhí)行工具之一，是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，傳統(tǒng)的機(jī)械手通過末端執(zhí)行器進(jìn)行抓取，但是這種方式比較的單一，而且缺少靈活性，不能滿足面對(duì)復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)的抓取，所以具有多自由度、多功能的多指機(jī)械受到世界各國的廣泛關(guān)注[2]，其中仿人型機(jī)械手是受關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

現(xiàn)階段已知的機(jī)械手在抓取物體與操作方面存在矛盾，簡單的機(jī)械手不能完成靈巧的操作任務(wù)，而用來完成靈活操作的機(jī)械手所需要的自由度太多，在結(jié)構(gòu)還有控制方面都過于復(fù)雜，可靠性低[3－4]。本文設(shè)計(jì)旨在提供一種控制簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)械手。一方面，通過人手間接操作機(jī)械手進(jìn)行工作，極大地簡化了控制操作復(fù)雜性，通過線性驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)五指分別驅(qū)動(dòng)，抓捕動(dòng)作傳感器直接作用于手上，通過芯片控制來實(shí)現(xiàn)抓捕機(jī)械手同步運(yùn)動(dòng)，類似一種人類義肢的設(shè)計(jì)，簡潔靈巧；另一方面，機(jī)械手和控制器可以采用不同的材質(zhì)和保護(hù)結(jié)構(gòu)，使得機(jī)械手能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用。

同步控制機(jī)械手的特點(diǎn)在于同步性以及高仿真性，模擬手部的動(dòng)作，使機(jī)械手代替人手進(jìn)行一些操作，可以運(yùn)用在一些危險(xiǎn)的地方，代替人手工作，大大提高了安全性；主要操控是由人來完成，靈活度也大大提高；設(shè)計(jì)可選擇簡易制作、可塑性強(qiáng)、可二次開發(fā)利用、拓展性強(qiáng)的材料；動(dòng)作的準(zhǔn)確性也需要保證。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：（1）人手抓捕動(dòng)作傳感器；（2）抓捕機(jī)械手；（3）移動(dòng)電話控制端設(shè)計(jì)。如圖1所示。工作過程：抓捕動(dòng)作傳感器呈手套狀戴在操作工人手上，將工人手指關(guān)節(jié)動(dòng)作信息指令通過無線射頻傳輸模塊遠(yuǎn)程傳遞給抓捕機(jī)械手，抓捕機(jī)械手接收到相應(yīng)的動(dòng)作指令后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)和工人手指相同的抓捕動(dòng)作；同時(shí)抓捕機(jī)械手將系統(tǒng)本身的狀態(tài)信息通過藍(lán)牙通信協(xié)議發(fā)送到移動(dòng)電話上，通過移動(dòng)電話遠(yuǎn)程掌握機(jī)械手狀態(tài)信息，必要時(shí)，也可以通過移動(dòng)電話直接控制機(jī)械手的動(dòng)作。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)于抓捕機(jī)械手的手指驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用雙線驅(qū)動(dòng)，通過芯片控制5個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)，5個(gè)手指就可以獨(dú)立進(jìn)行伸縮，以形成不同動(dòng)作，這種驅(qū)動(dòng)方式簡單而且有效，而抓力的大小就與使用的驅(qū)動(dòng)拉線有關(guān)，選取堅(jiān)韌、形變較小的材料。在抓捕動(dòng)作傳感器上，選擇通過電位器來將手部動(dòng)作型號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，在通過發(fā)送模塊將信號(hào)發(fā)出。通過Ardunio的藍(lán)牙模塊與移動(dòng)電話連接，同時(shí)基于Blinker軟件，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話控制機(jī)械手的動(dòng)作。

2 抓捕機(jī)械手方案設(shè)計(jì)

抓捕機(jī)械手上主要有指令接收模塊、信息發(fā)送模塊、核心控制器模塊以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抓捕機(jī)械手系統(tǒng)

（1）微控制器

選用Arduino Uno R3芯片[5－6]。Arduino Uno是一款基于ATmega328P的為控制器板。其有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個(gè)可用作PWM輸出），6個(gè)模擬輸入，16 MHz晶振時(shí)鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。芯片穩(wěn)定性高，拓展模塊功能多，易于以后的功能加強(qiáng)，可塑性強(qiáng)，其實(shí)物如圖3所示。

圖3 Arduino Uno R3開發(fā)板實(shí)物

（2）微波傳輸模塊

在抓捕動(dòng)作傳感器和機(jī)械手之間的數(shù)據(jù)傳輸，使用的是無線模塊，無線模塊的通訊速度快而且連接簡單，相比紅外傳輸、藍(lán)牙傳輸?shù)姆绞絹碚f，在結(jié)構(gòu)上更加簡單，同時(shí)在運(yùn)用上更加方便，而且穩(wěn)定性高。本文所設(shè)計(jì)的無線模塊采用的是NRF24L01無線模塊。NRF24L01無線模塊內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊[7－10]。NRF24L01模塊功耗低，傳輸距離遠(yuǎn)，比較節(jié)能，符合本設(shè)計(jì)綠色節(jié)能的特點(diǎn)，其參數(shù)如表1所示。

表1 NRF24L01無線模塊參數(shù)Table1 Parameter of wireless module NRF24L01

（3）藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)使用JDY－08藍(lán)牙，核心模塊選用的是HC－05主從一體機(jī)。通過智能移動(dòng)電話來控制Arduino芯片，在移動(dòng)電話APP上顯示機(jī)械手的狀態(tài)，同時(shí)通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)交互，用移動(dòng)電話控制Arduino芯片，來進(jìn)行對(duì)機(jī)械手的操作[11－12]。

（4）驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)方面需要做到五指分別驅(qū)動(dòng)，而且需要簡潔的驅(qū)動(dòng)方式，提高設(shè)計(jì)的普遍性，同時(shí)要根據(jù)接收到的信號(hào)，精確地進(jìn)行伸縮。驅(qū)動(dòng)模塊使用舵機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)是由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過發(fā)送信號(hào)，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度。舵機(jī)是控制機(jī)器人常用的設(shè)備。采用MG996R舵機(jī)，金屬齒輪，耐用度高，舵機(jī)實(shí)物如圖4所示，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖4 MG995舵機(jī)實(shí)物

表2 MG995舵機(jī)參數(shù)Table2 Parameter of MG995

3 抓捕動(dòng)作傳感器設(shè)計(jì)

抓捕動(dòng)作傳感器設(shè)計(jì)通過NRF24L01無線模塊，實(shí)現(xiàn)與抓捕機(jī)械手之間的指令交互，通過藍(lán)牙模塊來實(shí)行移動(dòng)電話與機(jī)械手之間的交互。在抓捕動(dòng)作傳感器上，需要將人手關(guān)節(jié)的動(dòng)作信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)一步將電信號(hào)通過紅外收發(fā)模塊發(fā)送到抓捕機(jī)械臂的接收模塊，再由抓捕機(jī)械臂對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的同步控制。

使用電位計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)人手動(dòng)作檢測(cè)，其原理如圖5所示。手指關(guān)節(jié)動(dòng)作連接在線牽引電位器的滑片端，輸入電壓則加于電阻絲引出的2個(gè)端子上，手指關(guān)節(jié)動(dòng)作帶動(dòng)滑片在電阻絲上移動(dòng)，輸出電壓由滑片位置L2占總電阻絲長度（L1＋L2）的比例分壓取出，輸出電壓數(shù)據(jù)通過紅外收發(fā)模塊，發(fā)送到抓捕機(jī)械臂上，抓捕機(jī)械臂主控芯片控制舵機(jī)進(jìn)行同角度旋轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)同步操控。

圖5 電位計(jì)原理

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于抓捕機(jī)械臂有2種被控制的模式，軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。抓捕動(dòng)作傳感器單片機(jī)實(shí)時(shí)循環(huán)讀取5個(gè)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的電位器數(shù)據(jù)，并將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角度信息，通過無線收發(fā)器發(fā)送出去。在抓捕機(jī)械手端，進(jìn)入程序后首先判斷屬于哪種控制模式，如果屬于抓捕動(dòng)作傳感器控制模式，則獲取相應(yīng)的角度信息，將其轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的PWM波送給舵機(jī)調(diào)整相應(yīng)的角度；如果屬于藍(lán)牙模式，獲取藍(lán)牙控制數(shù)據(jù)，傳給舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)將5根手指舵機(jī)的數(shù)據(jù)信息通過藍(lán)牙模塊發(fā)送出去，在移動(dòng)電話APP端顯示。

圖6 軟件流程

其中移動(dòng)電話APP采用Blinker技術(shù)交互方案，Blinker是一套跨硬件跨平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，提供APP端、設(shè)備端、服務(wù)器端支持，使用共有云服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。可用于智能家居、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。支持多種連接方式，如藍(lán)牙、WiFi、GPRS等，支持多種開發(fā)平臺(tái)，提供Arduino、freeRTOS支持庫，可以使用ESP8266/ARM/AVR等芯片進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)也提供了ESP8266支持固件。

5 實(shí)物測(cè)試

通過以上技術(shù)方法，實(shí)物如圖7所示。在本設(shè)計(jì)中，抓捕機(jī)械手通過3D打印技術(shù)制作而成，大大減低了外殼的設(shè)計(jì)難度與制作難度；同時(shí)降低了制作成本，作為塑料外殼，能夠很好地進(jìn)行2次加工，可以方便以后在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良或者加強(qiáng)，大部分零件都可以由3D打印完成，方便以后的零件損壞進(jìn)行替換；大大降低了質(zhì)量，減少了驅(qū)動(dòng)的負(fù)擔(dān)，也大大提高了本設(shè)計(jì)的普及性，制作時(shí)間較短，安裝方便簡單，關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)靈活，動(dòng)作更加逼真。

圖7 抓捕動(dòng)作傳感器和抓捕機(jī)械手

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能指標(biāo)：（1）動(dòng)作抓捕傳感器能夠準(zhǔn)確捕捉相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，電位計(jì)處的電壓與手指動(dòng)作幅度成正相關(guān)關(guān)系；（2）機(jī)械手能準(zhǔn)確捕捉相應(yīng)的動(dòng)作信息，核心處理器能夠控制電機(jī)精確地重復(fù)手部抓捕動(dòng)作，反應(yīng)時(shí)間小于1 s；（3）移動(dòng)電話可以控制機(jī)械手的動(dòng)作，反應(yīng)時(shí)間小于1 s。

6 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的仿真人手同步遠(yuǎn)程控制機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)人手動(dòng)作的同時(shí)機(jī)械手同步動(dòng)作，同時(shí)移動(dòng)電話端也會(huì)顯示出機(jī)械手的狀態(tài)，并通過移動(dòng)電話對(duì)機(jī)械手進(jìn)行操控。將抓捕動(dòng)作傳感器設(shè)計(jì)成為手套的形式，相比較傳統(tǒng)遙控器的方式，極大簡化了機(jī)械手的操作控制的難度，同時(shí)控制的靈活性也大大提高。通過遠(yuǎn)程通信技術(shù)，遠(yuǎn)程控制的設(shè)計(jì)為抓捕機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境提供了可能。增加機(jī)械手舵機(jī)的數(shù)量和改變機(jī)械手材料對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多自由度、多功能、多應(yīng)用環(huán)境的靈活抓取功能。