基于stm32的仿生机械爪无线控制系统研究

邓成成　邹丽娟　郝志鹏　范子慷　李小华

摘要：探究了仿生机械爪的无线控制问题，设计组装了一套完整的机械爪无线控制实体系统模型。控制端由精密电位器和STM32主控组成，用来采集不同的实时电阻值进行A/D转换。数据由蓝牙模块进行无线传送，经从机D/A转换处理后产生控制信号。采用PWM对5路舵机进行精准驱动，从而实现仿生机械爪无线控制。

关键词：机械爪； stm32单片机；无线控制；模拟信号舵机；电位器

一、前言

目前对机械爪的控制按驱动方式大致分为：气动、液压、电动三种方式，相比前两者电动方式应用技术更加成熟稳定。而机械爪在重量、体积、灵活性和可操作性等各项性能指标与实际运用值依然存在不足，未来仍需要相关研究人员投入大量的研究精力[1-4]。目前，主控方面为了是机械手增强抗干扰能力多偏向于功能强大的单片机[5]，配以伺服舵机驱动，主要为（有线&无线）的点动、遥感、语音等控制[6-8]。而这些控制方式的灵活性性能显然不足。于是，视觉成像，三维坐标建模技术随之而来，但在有些场合并此种技术过于复杂可用性不高。基于以上研究，本项目在体感控制方向加以设计研究，用低成本的电位器作为系统的输入量，加以数据优化处理实现仿生机械爪的无线控制。

二、系统硬件总体设计：

（一）控制端口设计

角度信息采集传感器与数据处理控制器。主控采用以Cortex-M4为内核的STM32F4高性能微控制器，相比于其它stm32F系列产品拥有自适应实时加速器，独立设置IO口的MODER，功耗更低、串口通信速度快、功耗低、使程序结构更加清晰，代码可读性高。主频最大可达168MHZ，PWM功能强大，拥有多个12位A/D转换器，超快数据传送，支持程序执行和数据并行处理。集成单精度FPU，提升控制算法的执行效率，丰富的外设拓展接口。

角度传感器由高精度RV24YN20SB502 0-5KΩ可调三引脚电位器完成，其阻值偏差小于10%，电气角度大于300度，低功耗，寿命长，而价格昂贵的弯曲度传感器弯曲到90度左右其电阻随弯度变化性能大幅下降，经试此型号电位器验足以在本设计应用。手指带动电位器，产生的变化电阻值经stm32微控制器自带的A/D转换器转换成对应的数字信息经无线模块发送到被控端。

（二）无线数据通讯模块

经过比较市场各种无线模块最终选用HC-05主从机一体蓝牙模块，此模块相比较ESP8266 WIFI模块易于配对，兼容性好。穿透能力强，一般场地抗干扰能力强于NRF2401 无线收发模块。且自带电源防反接的保护设计，数据传输效率高。

（三）驱动执行机构

结合机械手爪的灵活性与准确性，选用电动驱动的小型伺服舵机，5个模拟量伺服舵机作为5根手指的动作关节。利用PWM方式根据接收到主控端发送的不同信号值调节不同的占空比从而使手爪机械部件做出预期的动作。

（四）手掌模型设计

利用硬质亚克力板切割出掌背面，设计电位器组装部，指尖用圆形套环连接，通过指关节传动带动电位器旋转，令电位器始终在某一范围内变化，经过相应比例A/D转换，高频率扫描，将采集到的信号快速整理发送到被控端主处理器。

三、系统软件设计：

（一）主控程序设计

使用KEIL软件编写程序，流程如图三。主要包含：初始化系统程序、A/D转换程序、数据处理无线传输程序等。不同电位器因机械角度不同被采集测量到的电压也不一样，经内部A/D转换后，将数据统一规范化取平均值处理，存入数组串行口经以配对的蓝牙模块发送给接收端口。同时为了便于调试，在电容式触摸屏上软件编写人机界面，通过对图形进度条的拖拽也可以产生相应的信号，供控制器处理。

（二）驱动端程序设计

有效数字信号经接收端无线蓝牙模块接收后，有另一控制器进行信号处理转化。利用STM32软件产生PWM波驱动各部分伺服舵机，使舵机旋转相应的角度，通过转轴上连接的机械旋臂带动指关节的运动。部分程序C语言代码如图四。

结论： 本设计可实现手指的弯曲度快速采集，远程无线控制机械手爪做出同样动作。相比于传统机械手按键遥控控制方式，极大提高了机械手的可控性与灵活性体验感，简化了连接导线的使用。佩戴方便，通过人手控制更加准确达到预期想法。加上记忆学习程序，增加了本设计的拓展性能，可以进行实时的现场动作学习，相比于传统机械手控制每次变换固定动作，通过修改原程序，本设计更加方便快捷。该机械爪應用范围较广，可用于示教机，危险排爆、搜救场合。配以履带车人可以远程遥控机械爪完成特定任务。降低了机械爪控制系统的总体成本，功能更加完善。虽然总体来说完成预期目标，但由于诸多因素，本实验还存在一些不知处需要后期不断加以完善。相比于有限控制，无线控制受限于无线模块硬件的通信速率会出现短时的延迟动作。程序可再进行优化处理降低指令条数，优化数据处理算法。为进一步提高同步性与实时性，后期还需学习相关知识理论继续研究完善。

参考文献：

[1]易诗，林凡强，周姝颖.基于STM32的语音控制机械手[J].2017（1）：162-165

[2]李增强，章军，刘光元.苹果被动抓取柔性机械手的结构与分析[J].包装工程，2011（15）

[3]沈熠韬，辛桐，张庆隆.一种自动搬运装置的设计[J].科技展望2017（27）：136-137

[4]骆敏州，杨秀清，梅涛.机器人手爪的研究现状与发展[J].技术应用25-35

[5]蔡军，黎兰萍，王蓓.基于单片机的机械手控制系统研究[J].科技前沿2009（33）

[6]孟令达，方俊杰，周雨.无线体感仿生机械手[J].物联网技术 2017（7）：12-13

[7]张奎.基于51单片机的机械手控制系统设计[J].2017（2）：44-45

[8]史旭东，罗义钊，葛翔，袁斌.五关节机械手控制程序设计[J].2017（11）：72-75

作者简介：邓成成（1996-）男，辽宁科技大学电子与信息工程学院在读本科生。