電子信息工程專業(yè)創(chuàng)新型實驗案例“同步仿生手”范迪郭新運

孫勝凱 呂常智

[摘 要]創(chuàng)新型實驗是重要的實踐教學環(huán)節(jié)。以電子信息工程專業(yè)創(chuàng)新型實驗案例——同步仿生手為例，該同步仿生手通過彎曲傳感器檢測人的手指及關節(jié)的彎曲角度，用陀螺儀檢測翻轉(zhuǎn)角度，由CPU處理后經(jīng)Zigbee無線發(fā)送給仿生手，仿生手控制舵機運動實現(xiàn)人手動作的同步模仿。實驗結(jié)果表明，同步仿生手可以模仿做出人手的6個動作，延遲在200ms內(nèi)，具有更好的精確度和可操控性。通過該實驗項目，學生不僅掌握了電子信息工程專業(yè)的核心知識模塊和必備技能，而且創(chuàng)新能力和實踐能力得到了很大的提高。

[關鍵詞]創(chuàng)新型實驗;電子信息工程;同步仿生手;陀螺儀;彎曲度傳感器;舵機

[中圖分類號] TP241.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）02-0067-04

根據(jù)《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，隨著“新工科”建設的推進及山東省新舊動能轉(zhuǎn)換重大工程的實施，新一代電子信息工程類創(chuàng)新型人才需求很大[1]。

高校電子信息工程類專業(yè)承擔著培養(yǎng)新世紀創(chuàng)新型人才的重任。我校電子信息工程專業(yè)于2010年獲批為國家級特色專業(yè)，近年來又得到山東省高水平應用專業(yè)群建設項目、山東省一流本科建設工程等項目的支持，依托國家級人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)、教育部-中興通訊ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地等高層次教學平臺，花大力氣抓學生的創(chuàng)新教育，充實內(nèi)涵，突出特色，提高學生的培養(yǎng)質(zhì)量，服務“一黑一藍”區(qū)域和行業(yè)的發(fā)展[2]。

創(chuàng)新型實驗是以普遍提高學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力和意識為目的的教學環(huán)節(jié)[3-5]，自2009年被納入到專業(yè)的培養(yǎng)方案中，根據(jù)其要求，學生在大學四年時間內(nèi)需要獲得4個創(chuàng)新學分。根據(jù)培養(yǎng)進度，分別在四、五、六三個學期各設一個學分的創(chuàng)新型實驗教學環(huán)節(jié)，階段性強化學生對知識的掌握程度，提高其動手能力。在實施該教學環(huán)節(jié)的過程中，我們不斷探索創(chuàng)新型實驗教學方式方法和實驗項目。本文給出了電子信息工程專業(yè)創(chuàng)新型實驗案例“同步仿生手”的設計，實驗任務要求仿生手要實時檢測、識別人手的動作，并同步模仿出來。

一、系統(tǒng)硬件設計

（一）系統(tǒng)總體方案

“同步仿生手”系統(tǒng)由兩個部分組成：人體檢測模塊和仿生手[6-10]控制模塊，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用CC2530內(nèi)置的8051內(nèi)核作為主控制器，實現(xiàn)人手與仿生手的同步動作。人體檢測模塊中彎曲傳感器及陀螺儀實時檢測人手的動作和姿態(tài)，經(jīng)CPU處理后通過Zigbee[11-12]無線傳輸?shù)椒律帜K。仿生手模塊接收到傳送來的動作和姿態(tài)信息后，其CPU對之進行運算和處理，形成控制舵機運轉(zhuǎn)的PWM信號，舵機根據(jù)此信號控制仿生手運動，模仿出人手的動作。系統(tǒng)采用Zigbee無線傳輸，易組網(wǎng)，速度快，實時性強，動作的同步性好;采用舵機控制仿生手的動作，精確可靠，定位準確，仿真度高。? ? ? [TFT? LCD][CC2530][彎曲度傳感器][3個獨立按鍵][陀螺儀WPU6050][LM1117-3.3][5V1A]

（二）手檢測模塊設計

人手檢測模塊由CC2530主控CPU、彎曲度傳感器、陀螺儀、LCD顯示器和鍵盤、電源組成。CC2530集成的8051內(nèi)核主要負責整個系統(tǒng)的工作，包括采集傳感器數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示和無線通信等。下面簡要說明其中的CPU電路、陀螺儀電路和彎曲傳感器電路的電路構(gòu)成。

主控CPU電路以CC2530[13-14]為核心，外加時鐘電路、復位電路、電源濾波電路、無線發(fā)送電路，如圖2所示。

陀螺儀采用了InvenSense 公司的MPU6050[15]，用來檢測人手的姿態(tài)和運動。MPU6050及其外圍電路如圖3所示。它是全球首款6軸運動處理組件，內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個IIC 接口，可用于連接外部磁力傳感器。系統(tǒng)利用MPU6050自帶的數(shù)字運動處理器DMP（Digital Motion Processor），借助公司提供的運動處理資料庫，實現(xiàn)9軸融合和姿態(tài)。該設計免除了組合陀螺儀與加速器之間時軸差問題，降低了安裝空間，同時DMP的應用大大縮短了運動處理消耗時長。

彎曲度傳感器（Flex Sensor By Spectra Symbol）采用的是Flex-4.5，用于檢測人手手指的彎曲程度，其電路如圖4所示。Flex-4.5是4.5彎曲傳感器，它把彎曲程度轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，彎曲越大，電阻越高。它柔軟、超薄，被固定在手套的手指上（每個手指安裝一個傳感器），當手指彎曲時，傳感器的金屬面向外彎，其電阻值發(fā)生變化。圖4電路把傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柾ㄟ^跟隨器后傳給單片機，由單片機采集、處理并轉(zhuǎn)換為手指的彎曲度信號。

（三）仿生手模塊設計

仿生手模塊主要由CPU、舵機和電源構(gòu)成，如圖1所示。CPU選用的是CC2530，與人手檢測模塊相同，不再贅述。舵機主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器構(gòu)成。舵機接口如圖5，其中U1的5個接口分別接控制仿生手指的5個舵機，U2接控制手臂的3個舵機。模塊根據(jù)接收到的人手動作信號，產(chǎn)生控制信號發(fā)送給舵機，舵機經(jīng)由電路板上的 IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂;位置檢測器把擺臂位置信號送回，用于判斷是否已經(jīng)到達設定位置，形成閉環(huán)控制。舵機由5V10A直流電源直接供電。

二、軟件設計

系統(tǒng)軟件分成人手檢測和仿生手控制兩個部分。人手檢測部分的功能模塊主要有CC2530協(xié)議棧、MPU6050數(shù)據(jù)采集、按鍵檢測、彎曲度檢測、屏幕顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送等。仿生手控制部分的軟件功能模塊主要有CC2530協(xié)議棧、舵機控制、數(shù)據(jù)接收。軟件均采用IAR for 8051編譯器編制和調(diào)試。

兩部分的軟件流程分別如圖7和圖8所示。人體檢測部分首先完成CC2530、MPU6050等初始化及參數(shù)設定，之后定時檢測MPU6050的數(shù)據(jù)，以獲得手臂姿態(tài)，并通過A/D采集5個彎曲傳感器的信號，以獲取手指運動狀態(tài)。獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換和解算后通過Zigbee發(fā)送給仿生手模塊。仿生手控制部分首先進行CPU初始化，之后在接收到Zigbee數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、處理等，產(chǎn)生舵機控制信號發(fā)送給舵機，由舵機控制手指模仿人手動作。

三、實驗結(jié)果及分析

該仿生手和傳感器手套通過無線模塊連接，手指的彎曲程度被傳感器采集，處理為可被單片機捕捉的電信號，手指動作信號實時發(fā)送到仿生手，仿生手做出與手指同樣的動作。當大拇指、食指、中指、無名指、小手指彎曲時，仿生手大拇指、食指、中指、無名指、小手指同步彎曲，五只手指全部彎曲時，仿生手也全部同步彎曲。各個手指的彎曲狀態(tài)如圖9（a-f）所示。經(jīng)過多次試驗，當手動作時，仿生手部分可以同樣動作，延遲在200ms內(nèi)。實驗結(jié)果表明：該仿生手利用體感方式極大地提高了精確度和可操控性，可以完全同步人手的動作。

四、結(jié)語

培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才是高等院校的重要任務，在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的形勢下更加重要。創(chuàng)新型實驗是電子信息工程專業(yè)在應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面做的探索和嘗試。該實驗只給定實驗任務和要求，不對實驗方法、實驗步驟等做任何的限制，鼓勵學生利用所學知識、利用網(wǎng)絡，發(fā)揮主觀能動性、釋放發(fā)散思維創(chuàng)造性的完成實驗任務。同步仿生手集中體現(xiàn)了電子電路、無線通信、鍵盤顯示、單片機技術、接口技術等課程的知識，綜合訓練了學生編程平臺使用、電路輔助設計、系統(tǒng)集成等方面的能力，在教學中取得了良好的效果，既鍛煉了學生的實踐能力，又培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識。

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[責任編輯：張 雷]