肌電信號(hào)控制下的仿生機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：采用肌電信號(hào)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款兼容Arduino編程和STM32開(kāi)發(fā)的機(jī)械手掌控制系統(tǒng)，包含控制器、智能手套和機(jī)械手掌三部分，通過(guò)藍(lán)牙通訊實(shí)現(xiàn)智能手套和機(jī)械手掌之間的運(yùn)動(dòng)同步。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有控制靈活和操縱簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：肌電信號(hào)；機(jī)械手掌；運(yùn)動(dòng)同步

仿生機(jī)械手掌[1-4]是當(dāng)今科研領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn),兼有人的行為意識(shí)和機(jī)械手的作業(yè)效能，因此在軍事、醫(yī)療、空間、工業(yè)和海洋等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[5-8]。然而，目前在機(jī)械手掌的應(yīng)用中，對(duì)于機(jī)械手掌的操縱多為按鍵控制或者需要多個(gè)控制桿來(lái)控制一個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)繁瑣，操作復(fù)雜，給操作者使用帶來(lái)很大不便。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款A(yù)rduino編程和STM32開(kāi)發(fā)的智能手套控制機(jī)械手掌系統(tǒng)，通過(guò)智能手套的傳感器來(lái)采集人手臂的運(yùn)動(dòng)信息，然后通過(guò)智能手套的微控制器模塊發(fā)送到總控制器，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換控制芯片采集相應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)，并編寫控制算法程序?qū)崿F(xiàn)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到智能手套與機(jī)械手掌同步運(yùn)動(dòng)的目的。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖1所示。

2系統(tǒng)硬件組成

2.1控制器組成

本系統(tǒng)通過(guò)智能手套實(shí)現(xiàn)同步控制機(jī)械手掌，機(jī)械手套的主控器通過(guò)手指彎曲傳感器和三軸加速度傳感器采集手部的肌電信息，通過(guò)藍(lán)牙將信息傳送至機(jī)械手掌，機(jī)械手掌主控器接受到的相應(yīng)控制信息后，進(jìn)行信息的處理從而控制機(jī)械手掌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了智能手套遠(yuǎn)程控制機(jī)械手掌。如圖2、圖3所示。

2.2智能手套

智能手套由五個(gè)彎曲傳感器、陀螺儀、無(wú)線發(fā)射模塊組成。其中彎曲傳感器分別檢測(cè)不同手指的力數(shù)據(jù)，控制機(jī)械手掌的手指彎曲。陀螺儀檢測(cè)手掌的軸向加速度、軸向角速度以及軸向地磁數(shù)據(jù)，通過(guò)智能手套主控器上的AHRS算法將其轉(zhuǎn)化機(jī)械手掌的左右運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)及翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。無(wú)線發(fā)射模塊將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理打包發(fā)送至機(jī)械手掌主控器。如圖4所示。

2.3機(jī)械手掌

仿生機(jī)械手掌包括機(jī)械手本體、舵機(jī)、無(wú)線接收模塊組成。無(wú)線接收模塊接收到智能手套的肌電數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)械手掌主控器進(jìn)行處理控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手本體的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手掌的主控器有PE機(jī)接口、單片機(jī)模塊插座、PWM舵機(jī)接口、蜂鳴器（支持低壓報(bào)警）、5V供電接口、3.3V供電接口、總線舵機(jī)接口、串口通信接口等接口，還設(shè)置了6路舵機(jī)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)。如圖5所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示，通過(guò)測(cè)試使用智能手套能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手靈活的同步抓取物體如圖7所示。

4結(jié)論

本文采用肌電信號(hào)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能手套同步控制機(jī)械手掌運(yùn)動(dòng)，對(duì)不同的幾何外形的物體進(jìn)行抓握測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果，具有控制靈活和操縱簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，下一步將進(jìn)行控制系統(tǒng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)手部姿態(tài)更精確的控制。

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作者：陳濤 杜福鵬 單位：蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院