仿真人手同步远程控制机械手设计

彭小松，关叶佳，王楚虹

（1.广东海洋大学寸金学院，广东 湛江 524094；2.广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088）

0 引言

机器人的出现大大改变了我们的世界，越来越多的机器人陆续研发出来。其中，应用于工业领域的多关节、多自由度的工业机器人技术是一个国家高科技实力和发展水平的重要体现[1]。机器手作为最重要的执行工具之一，是机器人领域的一个重要分支，传统的机械手通过末端执行器进行抓取，但是这种方式比较的单一，而且缺少灵活性，不能满足面对复杂环境和任务的抓取，所以具有多自由度、多功能的多指机械受到世界各国的广泛关注[2]，其中仿人型机械手是受关注的热点之一。

现阶段已知的机械手在抓取物体与操作方面存在矛盾，简单的机械手不能完成灵巧的操作任务，而用来完成灵活操作的机械手所需要的自由度太多，在结构还有控制方面都过于复杂，可靠性低[3－4]。本文设计旨在提供一种控制简单、环境适应性强的机械手。一方面，通过人手间接操作机械手进行工作，极大地简化了控制操作复杂性，通过线性驱动来实现五指分别驱动，抓捕动作传感器直接作用于手上，通过芯片控制来实现抓捕机械手同步运动，类似一种人类义肢的设计，简洁灵巧；另一方面，机械手和控制器可以采用不同的材质和保护结构，使得机械手能够适应不同的应用。

同步控制机械手的特点在于同步性以及高仿真性，模拟手部的动作，使机械手代替人手进行一些操作，可以运用在一些危险的地方，代替人手工作，大大提高了安全性；主要操控是由人来完成，灵活度也大大提高；设计可选择简易制作、可塑性强、可二次开发利用、拓展性强的材料；动作的准确性也需要保证。

1 系统总体方案设计

总体设计分为3个部分：（1）人手抓捕动作传感器；（2）抓捕机械手；（3）移动电话控制端设计。如图1所示。工作过程：抓捕动作传感器呈手套状戴在操作工人手上，将工人手指关节动作信息指令通过无线射频传输模块远程传递给抓捕机械手，抓捕机械手接收到相应的动作指令后，驱动相应的电机运转，实现和工人手指相同的抓捕动作；同时抓捕机械手将系统本身的状态信息通过蓝牙通信协议发送到移动电话上，通过移动电话远程掌握机械手状态信息，必要时，也可以通过移动电话直接控制机械手的动作。

图1 系统总体设计

对于抓捕机械手的手指驱动，本设计采用双线驱动，通过芯片控制5个独立的舵机，5个手指就可以独立进行伸缩，以形成不同动作，这种驱动方式简单而且有效，而抓力的大小就与使用的驱动拉线有关，选取坚韧、形变较小的材料。在抓捕动作传感器上，选择通过电位器来将手部动作型号转变成电信号，在通过发送模块将信号发出。通过Ardunio的蓝牙模块与移动电话连接，同时基于Blinker软件，实现移动电话控制机械手的动作。

2 抓捕机械手方案设计

抓捕机械手上主要有指令接收模块、信息发送模块、核心控制器模块以及执行机构。其结构如图2所示。

图2 抓捕机械手系统

（1）微控制器

选用Arduino Uno R3芯片[5－6]。Arduino Uno是一款基于ATmega328P的为控制器板。其有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用作PWM输出），6个模拟输入，16 MHz晶振时钟，USB连接，电源插孔，ICSP接头和复位按钮。芯片稳定性高，拓展模块功能多，易于以后的功能加强，可塑性强，其实物如图3所示。

图3 Arduino Uno R3开发板实物

（2）微波传输模块

在抓捕动作传感器和机械手之间的数据传输，使用的是无线模块，无线模块的通讯速度快而且连接简单，相比红外传输、蓝牙传输的方式来说，在结构上更加简单，同时在运用上更加方便，而且稳定性高。本文所设计的无线模块采用的是NRF24L01无线模块。NRF24L01无线模块内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块[7－10]。NRF24L01模块功耗低，传输距离远，比较节能，符合本设计绿色节能的特点，其参数如表1所示。

表1 NRF24L01无线模块参数Table1 Parameter of wireless module NRF24L01

（3）蓝牙模块

本设计使用JDY－08蓝牙，核心模块选用的是HC－05主从一体机。通过智能移动电话来控制Arduino芯片，在移动电话APP上显示机械手的状态，同时通过蓝牙实时交互，用移动电话控制Arduino芯片，来进行对机械手的操作[11－12]。

（4）驱动模块

驱动方面需要做到五指分别驱动，而且需要简洁的驱动方式，提高设计的普遍性，同时要根据接收到的信号，精确地进行伸缩。驱动模块使用舵机来进行驱动，舵机是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机是控制机器人常用的设备。采用MG996R舵机，金属齿轮，耐用度高，舵机实物如图4所示，其技术参数如表2所示。

图4 MG995舵机实物

表2 MG995舵机参数Table2 Parameter of MG995

3 抓捕动作传感器设计

抓捕动作传感器设计通过NRF24L01无线模块，实现与抓捕机械手之间的指令交互，通过蓝牙模块来实行移动电话与机械手之间的交互。在抓捕动作传感器上，需要将人手关节的动作信号转化为电信号，进一步将电信号通过红外收发模块发送到抓捕机械臂的接收模块，再由抓捕机械臂对电信号进行解调、放大，实现对舵机的同步控制。

使用电位计实现对人手动作检测，其原理如图5所示。手指关节动作连接在线牵引电位器的滑片端，输入电压则加于电阻丝引出的2个端子上，手指关节动作带动滑片在电阻丝上移动，输出电压由滑片位置L2占总电阻丝长度（L1＋L2）的比例分压取出，输出电压数据通过红外收发模块，发送到抓捕机械臂上，抓捕机械臂主控芯片控制舵机进行同角度旋转，来实现同步操控。

图5 电位计原理

4 系统软件设计

由于抓捕机械臂有2种被控制的模式，软件设计流程如图6所示。抓捕动作传感器单片机实时循环读取5个手指关节运动的电位器数据，并将电压信号转化成相应的角度信息，通过无线收发器发送出去。在抓捕机械手端，进入程序后首先判断属于哪种控制模式，如果属于抓捕动作传感器控制模式，则获取相应的角度信息，将其转化成对应的PWM波送给舵机调整相应的角度；如果属于蓝牙模式，获取蓝牙控制数据，传给舵机运转，同时将5根手指舵机的数据信息通过蓝牙模块发送出去，在移动电话APP端显示。

图6 软件流程

其中移动电话APP采用Blinker技术交互方案，Blinker是一套跨硬件跨平台的物联网解决方案，提供APP端、设备端、服务器端支持，使用共有云服务进行数据传输。可用于智能家居、数据监测等领域。支持多种连接方式，如蓝牙、WiFi、GPRS等，支持多种开发平台，提供Arduino、freeRTOS支持库，可以使用ESP8266/ARM/AVR等芯片进行开发，同时也提供了ESP8266支持固件。

5 实物测试

通过以上技术方法，实物如图7所示。在本设计中，抓捕机械手通过3D打印技术制作而成，大大减低了外壳的设计难度与制作难度；同时降低了制作成本，作为塑料外壳，能够很好地进行2次加工，可以方便以后在原有的基础上进行改良或者加强，大部分零件都可以由3D打印完成，方便以后的零件损坏进行替换；大大降低了质量，减少了驱动的负担，也大大提高了本设计的普及性，制作时间较短，安装方便简单，关节设计灵活，动作更加逼真。

图7 抓捕动作传感器和抓捕机械手

经测试，系统能够实现的功能指标：（1）动作抓捕传感器能够准确捕捉相应的关节运动，电位计处的电压与手指动作幅度成正相关关系；（2）机械手能准确捕捉相应的动作信息，核心处理器能够控制电机精确地重复手部抓捕动作，反应时间小于1 s；（3）移动电话可以控制机械手的动作，反应时间小于1 s。

6 结束语

本文所设计的仿真人手同步远程控制机械手，能够实现人手动作的同时机械手同步动作，同时移动电话端也会显示出机械手的状态，并通过移动电话对机械手进行操控。将抓捕动作传感器设计成为手套的形式，相比较传统遥控器的方式，极大简化了机械手的操作控制的难度，同时控制的灵活性也大大提高。通过远程通信技术，远程控制的设计为抓捕机械手适应复杂恶劣的环境提供了可能。增加机械手舵机的数量和改变机械手材料对环境的适应性，可实现机械手多自由度、多功能、多应用环境的灵活抓取功能。