电子信息工程专业创新型实验案例“同步仿生手”范迪郭新运

孙胜凯 吕常智

[摘 要]创新型实验是重要的实践教学环节。以电子信息工程专业创新型实验案例——同步仿生手为例，该同步仿生手通过弯曲传感器检测人的手指及关节的弯曲角度，用陀螺仪检测翻转角度，由CPU处理后经Zigbee无线发送给仿生手，仿生手控制舵机运动实现人手动作的同步模仿。实验结果表明，同步仿生手可以模仿做出人手的6个动作，延迟在200ms内，具有更好的精确度和可操控性。通过该实验项目，学生不仅掌握了电子信息工程专业的核心知识模块和必备技能，而且创新能力和实践能力得到了很大的提高。

[关键词]创新型实验;电子信息工程;同步仿生手;陀螺仪;弯曲度传感器;舵机

[中图分类号] TP241.2 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）02-0067-04

根据《国家教育事业发展“十三五”规划》，随着“新工科”建设的推进及山东省新旧动能转换重大工程的实施，新一代电子信息工程类创新型人才需求很大[1]。

高校电子信息工程类专业承担着培养新世纪创新型人才的重任。我校电子信息工程专业于2010年获批为国家级特色专业，近年来又得到山东省高水平应用专业群建设项目、山东省一流本科建设工程等项目的支持，依托国家级人才培养模式创新实验区、教育部-中兴通讯ICT产教融合创新基地等高层次教学平台，花大力气抓学生的创新教育，充实内涵，突出特色，提高学生的培养质量，服务“一黑一蓝”区域和行业的发展[2]。

创新型实验是以普遍提高学生的实践动手能力和创新能力和意识为目的的教学环节[3-5]，自2009年被纳入到专业的培养方案中，根据其要求，学生在大学四年时间内需要获得4个创新学分。根据培养进度，分别在四、五、六三个学期各设一个学分的创新型实验教学环节，阶段性强化学生对知识的掌握程度，提高其动手能力。在实施该教学环节的过程中，我们不断探索创新型实验教学方式方法和实验项目。本文给出了电子信息工程专业创新型实验案例“同步仿生手”的设计，实验任务要求仿生手要实时检测、识别人手的动作，并同步模仿出来。

一、系統硬件设计

（一）系统总体方案

“同步仿生手”系统由两个部分组成：人体检测模块和仿生手[6-10]控制模块，其总体结构如图1所示。系统采用CC2530内置的8051内核作为主控制器，实现人手与仿生手的同步动作。人体检测模块中弯曲传感器及陀螺仪实时检测人手的动作和姿态，经CPU处理后通过Zigbee[11-12]无线传输到仿生手模块。仿生手模块接收到传送来的动作和姿态信息后，其CPU对之进行运算和处理，形成控制舵机运转的PWM信号，舵机根据此信号控制仿生手运动，模仿出人手的动作。系统采用Zigbee无线传输，易组网，速度快，实时性强，动作的同步性好;采用舵机控制仿生手的动作，精确可靠，定位准确，仿真度高。      [TFT  LCD][CC2530][弯曲度传感器][3个独立按键][陀螺仪WPU6050][LM1117-3.3][5V1A]

（二）手检测模块设计

人手检测模块由CC2530主控CPU、弯曲度传感器、陀螺仪、LCD显示器和键盘、电源组成。CC2530集成的8051内核主要负责整个系统的工作，包括采集传感器数据、处理数据、数据显示和无线通信等。下面简要说明其中的CPU电路、陀螺仪电路和弯曲传感器电路的电路构成。

主控CPU电路以CC2530[13-14]为核心，外加时钟电路、复位电路、电源滤波电路、无线发送电路，如图2所示。

陀螺仪采用了InvenSense 公司的MPU6050[15]，用来检测人手的姿态和运动。MPU6050及其外围电路如图3所示。它是全球首款6轴运动处理组件，内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器。系统利用MPU6050自带的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），借助公司提供的运动处理资料库，实现9轴融合和姿态。该设计免除了组合陀螺仪与加速器之间时轴差问题，降低了安装空间，同时DMP的应用大大缩短了运动处理消耗时长。

弯曲度传感器（Flex Sensor By Spectra Symbol）采用的是Flex-4.5，用于检测人手手指的弯曲程度，其电路如图4所示。Flex-4.5是4.5弯曲传感器，它把弯曲程度转换成电阻值的变化，弯曲越大，电阻越高。它柔软、超薄，被固定在手套的手指上（每个手指安装一个传感器），当手指弯曲时，传感器的金属面向外弯，其电阻值发生变化。图4电路把传感器的电阻变化转变为电压信号通过跟随器后传给单片机，由单片机采集、处理并转换为手指的弯曲度信号。

（三）仿生手模块设计

仿生手模块主要由CPU、舵机和电源构成，如图1所示。CPU选用的是CC2530，与人手检测模块相同，不再赘述。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器构成。舵机接口如图5，其中U1的5个接口分别接控制仿生手指的5个舵机，U2接控制手臂的3个舵机。模块根据接收到的人手动作信号，产生控制信号发送给舵机，舵机经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂;位置检测器把摆臂位置信号送回，用于判断是否已经到达设定位置，形成闭环控制。舵机由5V10A直流电源直接供电。

二、软件设计

系统软件分成人手检测和仿生手控制两个部分。人手检测部分的功能模块主要有CC2530协议栈、MPU6050数据采集、按键检测、弯曲度检测、屏幕显示、数据发送等。仿生手控制部分的软件功能模块主要有CC2530协议栈、舵机控制、数据接收。软件均采用IAR for 8051编译器编制和调试。

两部分的软件流程分别如图7和图8所示。人体检测部分首先完成CC2530、MPU6050等初始化及参数设定，之后定时检测MPU6050的数据，以获得手臂姿态，并通过A/D采集5个弯曲传感器的信号，以获取手指运动状态。获取的数据经过转换和解算后通过Zigbee发送给仿生手模块。仿生手控制部分首先进行CPU初始化，之后在接收到Zigbee数据后，对数据进行转换、处理等，产生舵机控制信号发送给舵机，由舵机控制手指模仿人手动作。

三、实验结果及分析

该仿生手和传感器手套通过无线模块连接，手指的弯曲程度被传感器采集，处理为可被单片机捕捉的电信号，手指动作信号实时发送到仿生手，仿生手做出与手指同样的动作。当大拇指、食指、中指、无名指、小手指弯曲时，仿生手大拇指、食指、中指、无名指、小手指同步弯曲，五只手指全部弯曲时，仿生手也全部同步弯曲。各个手指的弯曲状态如图9（a-f）所示。经过多次试验，当手动作时，仿生手部分可以同样动作，延迟在200ms内。实验结果表明：该仿生手利用体感方式极大地提高了精确度和可操控性，可以完全同步人手的动作。

四、结语

培养具有创新能力的人才是高等院校的重要任务，在“大众创业、万众创新”的形势下更加重要。创新型实验是电子信息工程专业在应用型、创新型人才培养方面做的探索和尝试。该实验只给定实验任务和要求，不对实验方法、实验步骤等做任何的限制，鼓励学生利用所学知识、利用网络，发挥主观能动性、释放发散思维创造性的完成实验任务。同步仿生手集中体现了电子电路、无线通信、键盘显示、单片机技术、接口技术等课程的知识，综合训练了学生编程平台使用、电路辅助设计、系统集成等方面的能力，在教学中取得了良好的效果，既锻炼了学生的实践能力，又培养了学生的创新意识。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：张 雷]