鄧成成　鄒麗娟　郝志鵬　范子慷　李小華

摘要：探究了仿生機(jī)械爪的無線控制問題，設(shè)計(jì)組裝了一套完整的機(jī)械爪無線控制實(shí)體系統(tǒng)模型?？刂贫擞删茈娢黄骱蚐TM32主控組成，用來采集不同的實(shí)時(shí)電阻值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)由藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線傳送，經(jīng)從機(jī)D/A轉(zhuǎn)換處理后產(chǎn)生控制信號(hào)。采用PWM對(duì)5路舵機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)械爪無線控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)械爪； stm32單片機(jī)；無線控制；模擬信號(hào)舵機(jī)；電位器

一、前言

目前對(duì)機(jī)械爪的控制按驅(qū)動(dòng)方式大致分為：氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)三種方式，相比前兩者電動(dòng)方式應(yīng)用技術(shù)更加成熟穩(wěn)定。而機(jī)械爪在重量、體積、靈活性和可操作性等各項(xiàng)性能指標(biāo)與實(shí)際運(yùn)用值依然存在不足，未來仍需要相關(guān)研究人員投入大量的研究精力[1-4]。目前，主控方面為了是機(jī)械手增強(qiáng)抗干擾能力多偏向于功能強(qiáng)大的單片機(jī)[5]，配以伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要為（有線&無線）的點(diǎn)動(dòng)、遙感、語音等控制[6-8]。而這些控制方式的靈活性性能顯然不足。于是，視覺成像，三維坐標(biāo)建模技術(shù)隨之而來，但在有些場(chǎng)合并此種技術(shù)過于復(fù)雜可用性不高。基于以上研究，本項(xiàng)目在體感控制方向加以設(shè)計(jì)研究，用低成本的電位器作為系統(tǒng)的輸入量，加以數(shù)據(jù)優(yōu)化處理實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)械爪的無線控制。

二、系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)：

（一）控制端口設(shè)計(jì)

角度信息采集傳感器與數(shù)據(jù)處理控制器。主控采用以Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F4高性能微控制器，相比于其它stm32F系列產(chǎn)品擁有自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器，獨(dú)立設(shè)置IO口的MODER，功耗更低、串口通信速度快、功耗低、使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，代碼可讀性高。主頻最大可達(dá)168MHZ，PWM功能強(qiáng)大，擁有多個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，超快數(shù)據(jù)傳送，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)并行處理。集成單精度FPU，提升控制算法的執(zhí)行效率，豐富的外設(shè)拓展接口。

角度傳感器由高精度RV24YN20SB502 0-5KΩ可調(diào)三引腳電位器完成，其阻值偏差小于10%，電氣角度大于300度，低功耗，壽命長(zhǎng)，而價(jià)格昂貴的彎曲度傳感器彎曲到90度左右其電阻隨彎度變化性能大幅下降，經(jīng)試此型號(hào)電位器驗(yàn)足以在本設(shè)計(jì)應(yīng)用。手指帶動(dòng)電位器，產(chǎn)生的變化電阻值經(jīng)stm32微控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信息經(jīng)無線模塊發(fā)送到被控端。

（二）無線數(shù)據(jù)通訊模塊

經(jīng)過比較市場(chǎng)各種無線模塊最終選用HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊，此模塊相比較ESP8266 WIFI模塊易于配對(duì)，兼容性好。穿透能力強(qiáng)，一般場(chǎng)地抗干擾能力強(qiáng)于NRF2401 無線收發(fā)模塊。且自帶電源防反接的保護(hù)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸效率高。

（三）驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

結(jié)合機(jī)械手爪的靈活性與準(zhǔn)確性，選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的小型伺服舵機(jī)，5個(gè)模擬量伺服舵機(jī)作為5根手指的動(dòng)作關(guān)節(jié)。利用PWM方式根據(jù)接收到主控端發(fā)送的不同信號(hào)值調(diào)節(jié)不同的占空比從而使手爪機(jī)械部件做出預(yù)期的動(dòng)作。

（四）手掌模型設(shè)計(jì)

利用硬質(zhì)亞克力板切割出掌背面，設(shè)計(jì)電位器組裝部，指尖用圓形套環(huán)連接，通過指關(guān)節(jié)傳動(dòng)帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，令電位器始終在某一范圍內(nèi)變化，經(jīng)過相應(yīng)比例A/D轉(zhuǎn)換，高頻率掃描，將采集到的信號(hào)快速整理發(fā)送到被控端主處理器。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：

（一）主控程序設(shè)計(jì)

使用KEIL軟件編寫程序，流程如圖三。主要包含：初始化系統(tǒng)程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)處理無線傳輸程序等。不同電位器因機(jī)械角度不同被采集測(cè)量到的電壓也不一樣，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)范化取平均值處理，存入數(shù)組串行口經(jīng)以配對(duì)的藍(lán)牙模塊發(fā)送給接收端口。同時(shí)為了便于調(diào)試，在電容式觸摸屏上軟件編寫人機(jī)界面，通過對(duì)圖形進(jìn)度條的拖拽也可以產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，供控制器處理。

（二）驅(qū)動(dòng)端程序設(shè)計(jì)

有效數(shù)字信號(hào)經(jīng)接收端無線藍(lán)牙模塊接收后，有另一控制器進(jìn)行信號(hào)處理轉(zhuǎn)化。利用STM32軟件產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)各部分伺服舵機(jī)，使舵機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，通過轉(zhuǎn)軸上連接的機(jī)械旋臂帶動(dòng)指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。部分程序C語言代碼如圖四。

結(jié)論： 本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)手指的彎曲度快速采集，遠(yuǎn)程無線控制機(jī)械手爪做出同樣動(dòng)作。相比于傳統(tǒng)機(jī)械手按鍵遙控控制方式，極大提高了機(jī)械手的可控性與靈活性體驗(yàn)感，簡(jiǎn)化了連接導(dǎo)線的使用。佩戴方便，通過人手控制更加準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)期想法。加上記憶學(xué)習(xí)程序，增加了本設(shè)計(jì)的拓展性能，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作學(xué)習(xí)，相比于傳統(tǒng)機(jī)械手控制每次變換固定動(dòng)作，通過修改原程序，本設(shè)計(jì)更加方便快捷。該機(jī)械爪應(yīng)用范圍較廣，可用于示教機(jī)，危險(xiǎn)排爆、搜救場(chǎng)合。配以履帶車人可以遠(yuǎn)程遙控機(jī)械爪完成特定任務(wù)。降低了機(jī)械爪控制系統(tǒng)的總體成本，功能更加完善。雖然總體來說完成預(yù)期目標(biāo)，但由于諸多因素，本實(shí)驗(yàn)還存在一些不知處需要后期不斷加以完善。相比于有限控制，無線控制受限于無線模塊硬件的通信速率會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的延遲動(dòng)作。程序可再進(jìn)行優(yōu)化處理降低指令條數(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法。為進(jìn)一步提高同步性與實(shí)時(shí)性，后期還需學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)理論繼續(xù)研究完善。

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作者簡(jiǎn)介：鄧成成（1996-）男，遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院在讀本科生。