基于stm32的仿生機械爪無線控制系統研究

鄧成成　鄒麗娟　郝志鵬　范子慷　李小華

摘要：探究了仿生機械爪的無線控制問題，設計組裝了一套完整的機械爪無線控制實體系統模型。控制端由精密電位器和STM32主控組成，用來采集不同的實時電阻值進行A/D轉換。數據由藍牙模塊進行無線傳送，經從機D/A轉換處理后產生控制信號。采用PWM對5路舵機進行精準驅動，從而實現仿生機械爪無線控制。

關鍵詞：機械爪； stm32單片機；無線控制；模擬信號舵機；電位器

一、前言

目前對機械爪的控制按驅動方式大致分為：氣動、液壓、電動三種方式，相比前兩者電動方式應用技術更加成熟穩定。而機械爪在重量、體積、靈活性和可操作性等各項性能指標與實際運用值依然存在不足，未來仍需要相關研究人員投入大量的研究精力[1-4]。目前，主控方面為了是機械手增強抗干擾能力多偏向于功能強大的單片機[5]，配以伺服舵機驅動，主要為（有線&無線）的點動、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，三維坐標建模技術隨之而來，但在有些場合并此種技術過于復雜可用性不高。基于以上研究，本項目在體感控制方向加以設計研究，用低成本的電位器作為系統的輸入量，加以數據優化處理實現仿生機械爪的無線控制。

二、系統硬件總體設計：

（一）控制端口設計

角度信息采集傳感器與數據處理控制器。主控采用以Cortex-M4為內核的STM32F4高性能微控制器，相比于其它stm32F系列產品擁有自適應實時加速器，獨立設置IO口的MODER，功耗更低、串口通信速度快、功耗低、使程序結構更加清晰，代碼可讀性高。主頻最大可達168MHZ，PWM功能強大，擁有多個12位A/D轉換器，超快數據傳送，支持程序執行和數據并行處理。集成單精度FPU，提升控制算法的執行效率，豐富的外設拓展接口。

角度傳感器由高精度RV24YN20SB502 0-5KΩ可調三引腳電位器完成，其阻值偏差小于10%，電氣角度大于300度，低功耗，壽命長，而價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，經試此型號電位器驗足以在本設計應用。手指帶動電位器，產生的變化電阻值經stm32微控制器自帶的A/D轉換器轉換成對應的數字信息經無線模塊發送到被控端。

（二）無線數據通訊模塊

經過比較市場各種無線模塊最終選用HC-05主從機一體藍牙模塊，此模塊相比較ESP8266 WIFI模塊易于配對，兼容性好。穿透能力強，一般場地抗干擾能力強于NRF2401 無線收發模塊。且自帶電源防反接的保護設計，數據傳輸效率高。

（三）驅動執行機構

結合機械手爪的靈活性與準確性，選用電動驅動的小型伺服舵機，5個模擬量伺服舵機作為5根手指的動作關節。利用PWM方式根據接收到主控端發送的不同信號值調節不同的占空比從而使手爪機械部件做出預期的動作。

（四）手掌模型設計

利用硬質亞克力板切割出掌背面，設計電位器組裝部，指尖用圓形套環連接，通過指關節傳動帶動電位器旋轉，令電位器始終在某一范圍內變化，經過相應比例A/D轉換，高頻率掃描，將采集到的信號快速整理發送到被控端主處理器。

三、系統軟件設計：

（一）主控程序設計

使用KEIL軟件編寫程序，流程如圖三。主要包含：初始化系統程序、A/D轉換程序、數據處理無線傳輸程序等。不同電位器因機械角度不同被采集測量到的電壓也不一樣，經內部A/D轉換后，將數據統一規范化取平均值處理，存入數組串行口經以配對的藍牙模塊發送給接收端口。同時為了便于調試，在電容式觸摸屏上軟件編寫人機界面，通過對圖形進度條的拖拽也可以產生相應的信號，供控制器處理。

（二）驅動端程序設計

有效數字信號經接收端無線藍牙模塊接收后，有另一控制器進行信號處理轉化。利用STM32軟件產生PWM波驅動各部分伺服舵機，使舵機旋轉相應的角度，通過轉軸上連接的機械旋臂帶動指關節的運動。部分程序C語言代碼如圖四。

結論： 本設計可實現手指的彎曲度快速采集，遠程無線控制機械手爪做出同樣動作。相比于傳統機械手按鍵遙控控制方式，極大提高了機械手的可控性與靈活性體驗感，簡化了連接導線的使用。佩戴方便，通過人手控制更加準確達到預期想法。加上記憶學習程序，增加了本設計的拓展性能，可以進行實時的現場動作學習，相比于傳統機械手控制每次變換固定動作，通過修改原程序，本設計更加方便快捷。該機械爪應用范圍較廣，可用于示教機，危險排爆、搜救場合。配以履帶車人可以遠程遙控機械爪完成特定任務。降低了機械爪控制系統的總體成本，功能更加完善。雖然總體來說完成預期目標，但由于諸多因素，本實驗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出現短時的延遲動作。程序可再進行優化處理降低指令條數，優化數據處理算法。為進一步提高同步性與實時性，后期還需學習相關知識理論繼續研究完善。

參考文獻：

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