基于同步仿生手掌的机械手研发与应用★

宫立达

（闽南理工学院 实践教学中心， 福建 石狮 362700）

1 研究意义

仿生手于1963 年作为假肢产品被研发出来，随着技术的发展，单纯的手工劳作已满足不了工业自动化的要求，这种思想现在逐步转变为在深海探测、战场排雷、核料搬运以及航天设备检修等会给现场操作人员带来危害的高危操作场合替代人的机械手。在机械行业中，它主要用于零部件的组装及在组合机床上被使用。但是机械手在实际使用时由于不同控制对象独有特点会产生控制不精确，操作存在偏差等问题，所以研究一款能够按照人脑思想通过同步仿生手发出控制命令，让机械手通过接受仿生手发送的命令来完成人想让机械手完成的任务具有十分重要的意义[1]。

2 研究内容

2.1 总体设计方案

本文研究的同步仿生机械手是通过接受由人脑控制的仿生手的指令来完成操作任务的。仿生手掌的主从控制通过测量人手运动时表面肌电信号得到人手指关节的运动数据，进一步得出手掌动作的运动角度，然后将数据通过通信系统发送给同步仿生机械手的驱动器，驱动器通过步进电机来驱动机械手完成相同的指令动作。本设计里面增加多组驱动装置，使机械手不仅可以旋转还可以上下运动，旋转底座和手腕结构采用金属齿轮舵机增加扭矩，采用微型舵机实现五指独立运动。在机械手下方增加真空吸盘使机械手更加稳定[2]。

2.2 控制技术分析选择

传统控制系统采用继电接触器控制，不仅触点多而且接线复杂，可靠性较差；PLC 控制更适合于大型的工业流程控制；基于神经网络的智能控制效果较好却又十分依赖被控对象精确的数学模型。模糊控制虽然不依赖数学模型，但是控制精度又不高，为了实现机械手控制的准确性、可靠性，由于单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，本文选择STM32 型号单片机来实现数据收法、处理、储存等的主芯片[3]。

3 具体设计

本设计中仿生手通过电位采集感应器检测先到手指关节的动作，然后通过通信系统将数据发送给同步仿生机械手的驱动器，主控制器通过USB 串口接收仿生手发出的运动指令，验证运动指令的正确性后，把运动数据分配给20 个步进电机的驱动芯片，控制步进电机转动。步进电机与关节的对应关系如表1 所示。

表1 电机与关节对应关系

本设计选择STM32F103C8T6 芯片，相比于其他型号的芯片，它是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32 系列的32 位的微控制器，程序存储器容量是64 kB，需要电压 2～3.6 V，工作温度为 -40～85 ℃，见图1。

为了更好地实现对仿生机械手的控制，对手部动作的测量十分重要，需要很高的检测精度，本设计采用电位采集感应器来对手指的弯曲程度进行测量，将测量的信号进行相应的转换，然后将信号通过蓝牙或USB 接口发送给机械手，驱动机械手完成动作[4]，见图2。

图1 单片机主电路

图2 传感器接口电路

为了将仿生手的测量与机械手进行连接，本设计使用VC++10.0 平台，编写串口通信程序，通过RS-232C 串口，把符合通信协议的数据发送给集成电路板的主控器。并采用蓝牙串口实现信号的无线传输，见图3、图4[4]，人手动作发送运动指令的速度要与主控制器接收运动指令的速度相同，以避免运动指令的丢失或堆积，保证步进电机运动的实时性和精确性[6]。

图3 蓝牙电路

图4 USB 接口电路

4 结论

为了改善传统机械手只能完成单一任务的不足之处，本文设计了一款能够根据人的动作即人手动作发出指令完成相关指令的同步仿生手掌的机械手。采用单片机作为主要芯片，当传感器检测到指关节动作时，通过蓝牙或USB 以及相关协议实现通信对接，对应关节的驱动步进电动机接收到信号完成指定的动作。本次设计里面增加多组驱动装置，使机械手不仅可以旋转还可以上下运动，从而达到设计出来的仿生机械手的动作比一般的机械手更加灵活，控制效果更好的目的。