基于數據手套的遙操作多指靈巧手

張鵬程 劉森 錢靖 安鵬宇 賈孟璇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.001

摘 要：為了以更直觀的方式控制仿人機械手，提高仿人機械手的操作性能，該文設計和實現了基于數據手套的遙操作多指靈巧手控制系統。提出了數據手套通過計算機系統和MSP430單片機對多自由度多指靈巧手進行實時控制的方案。該方案通過多指靈巧手與數據手套的結合提高了該系統的控制精度與交互性。該文將從設計方案的各個模塊和實驗結果說明基于數據手套的遙操作多指靈巧手控制系統的先進性和實用性。

關鍵詞：數據手套 多指靈巧手 MSP430 遙操作

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0001-03

隨著機器人應用領域的不斷擴展，機器人作業的任務和環境的復雜性不斷地增加，仿人機械手作為機器人末端操作器，具有多自由度、多指協調、靈活性強的特點，因此，能滿足更靈巧以及精細的任務的要求。仿人機械手是一個復雜的機器人系統，若采用傳統的操作者向控制器輸入指令的控制模式，很難實現實時性和較好的交互性。而采用數據手套作為輸入，不僅能靈活的控制仿人機械手，而且具有自然、直觀、實時性強的優點，是提高仿人機械手操作性能和作業水平的有效途徑[6]。

目前，在國外，有使用數據手套作為輸入設備，對機械手抓取操作控制等的研究，也有對手勢識別的研究[5]。在國內，也有學者對相關方面的研究。該文采用的控制模式是操作者使用數據手套通過MSP430單片機系統實時控制機器人，操作者通過改變數據手套的姿態對機械手做出相應的調整。與傳統控制方法中操作者通過輸入運動指令的間接控制相比，這種直接的控制方法更加符合人類的操作習慣，它的操作簡單、高效，大大提高了交互性。

1 系統框架

該系統主要由數據手套、多指靈巧機械手、MSP430單片機3個部分組成[9]，并在單片機和多指靈巧手上使用了一組無線模塊用來傳輸控制信號，從而在一定距離內實現了對機械手的遙操作。操作者通過改變數據手套的姿態，MSP430單片機可對得到的數據進行處理，轉換成相應的PWM波信號通過無線傳輸的方式控制機械手手指舵機轉動，從而實現對手套姿態的跟蹤[7]。

2 原理與設計

多指靈巧機械手有如下幾個方面[1]。

2.1 機械手結構

該文所使用的靈巧手是在參考人手骨骼特點的基礎上設計的一種具有適應性的欠驅動機構。整個機械手由手掌、手指以及各個手指的驅動傳動機構和回復機構組成，具多個自由度，能完成人手的簡單抓握。考慮到與人手外觀的相似性，采用了五指的形式。其中拇指具有與人手拇指相同的機構，其余四指各具有3個轉動自由度，根關節不具有擺動自由度（圖1、圖2）。

2.2 控制機構設計

該機械手采用航模中的舵機作為動力，結合單片機組成的控制系統，通過對5個手指的分別控制，實現對靈巧手進行多自由度控制。舵機主要由以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋比例電位器、直流電機、控制電路板組成。控制電路板接受來自控制端口的控制信號，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出軸。舵機的輸出軸和位置反饋比例電位器是相連的，輸出軸轉動的同時，帶動位置反饋比例電位器，轉換為一比例電壓反饋到控制電路板，然后控制電路板根據所在位置決定電機的轉動方向和速度，達到目標后停止。

3 實驗與分析

該文設計的基于數據手套的遙操作多指靈巧手，擁有能完整完成人手復雜動作的能力。已經從數據手套發送數據和機械手能夠完整完成人的動作兩個方面進行驗證。

3.1 驗證手套發送數據

由于數據手套是由5個應變片、一個微控制器組成的，它向外輸出TTL信號，所以，在完成供電準備之后，使用CP2102模塊轉對其信號進行轉換。

可以看到數據成0xFF，Data1，Data2，Data3，Data4，Data5，0xF0形式，每一組數據由0xFF開始，以0xF0結尾，中間每一個Data都代表了手指的彎曲程度（如圖3）。

通過觀察可以發現，隨著手指彎曲得到的數據也會改變，我們彎曲的這種程度可以讓數據從0x38變化到0x4A左右。

3.2 系統功能驗證

為了驗證該文所述系統的功能，我們按照上文所述進行實際搭建并完成了相應控制程序的編寫。實驗結果表明，該文所述的基于數據手套的遙操作機械手系統可以較好地實現多指靈巧機械手對操作者手部動作的實時準確跟蹤，并具有在一定范圍內的遙操作功能。

單個手指動作控制如圖4所示。

4 結語

該文設計實現了一種基于數據手套的多指靈巧手，可以實現人手實時操控機械手的功能，并且我們所設計的機械手的手指彎曲極限程度接近人手，模仿精度較高，可以夾起一些很輕的物體。并且由于無線傳輸模塊的加入，可以實現在一定范圍內的遙操作功能，提高了機械手的實用性。與傳統的機械手控制系統相比，本系統具有體積小、可進行遠距離操作、操作簡單直觀的優點，具有較為廣泛的應用前景，在未來還有較大的發展潛力。

參考文獻

[1] 王超群.繩驅動五指靈巧手的設計[J].上海電機學院報，2012（5）：301-305.

[2] 韋婷，肖南峰.基于數據手套的仿人機械手控制系統[J]. 計算機工程與設計，2009，30（7）：1707-1711.

[3] 張建鵬，劉世前，敬忠良.基于MSP430的舵機控制系統設計[J].微電機，2010，43（1）：46-49.

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[5] 李東潔，李君祥，張越，等.基于PSO改進的BP神經網絡數據手套手勢識別[J].電機與控制學報，2014（8）：87-93.

[6] 張俊杰，李世其，熊友軍.基于數據手套的機械手控制技術應用[J].計算機應用研究，2006（7）：170-171.

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[8] 耶曉東.基于單片機的簡易機械手的設計[J].微計算機信息，2009（14）：230-231.

[9] 李海標，甘鎮釗，楊碩.基于ARM9的機械手控制系統的設計[J].測控技術，2015（8）：82-85.