基于仿生原理的殘疾人機械臂設計

陳紅友 高翔宇

摘 ?要：智能化產品的發展為殘疾人的生活帶來了便利，本設計是根據仿生原理，以STM32單片機作為核心，使用三軸加速度計和三軸陀螺儀對手臂的運動姿態進行檢測，通過NRF2.4G傳輸信號，驅動多路數字舵機來實現機械臂與人體手臂動作的同步，以達到控制機械臂能夠同步做出人體手臂動作的目的。經過硬件制作和軟件調試，結果表明，該基于仿生原理設計的殘疾人機械臂能夠幫助手臂殘障的人士能如同正常人一般的生活。

關鍵詞：STM32單片機;仿生原理;殘疾人;機械臂;陀螺儀

引 言

據第六次全國人口普查統計，肢體殘疾人高達2472萬，因此對基于仿生原理的殘疾人機械臂設計的研究有一定的現實意義。仿生機械臂是通過對人類手臂的模仿，創造出的一種能夠實現將手爪移動到所需位置和承受抓取工件的重量，以及手臂本身的重量等目的的機械裝置。仿生機械臂是仿人學與機械臂領域應用需求的結合產物，從機械臂的角度來看，仿人機械臂則是機器人發展的高級階段，其生物特性為機器人的設計提供了許多有益的參考，使得機器人可以從生物體上學習如自適應性、運動多樣性和靈活性等一系列良好的性能。

1.系統總體設計方案

1.1系統整體框架

該機械臂利用藍牙模塊，陀螺儀傳感器模塊、AD模塊、LCD顯示模塊、時鐘模塊、舵機等來實現自動化跟隨人手臂的運動，陀螺儀傳感器傳感器感應X、Y、Z三角度的變化，A/D轉換模塊進行模數轉換，所得數字信號送入單片機進行數據處理，時鐘模塊用來計算并顯示時間，最后將得出的結果發送到液晶顯示器進行顯示，兩個藍牙模塊相互通訊，用以實現遠程控制。

考慮到功能實現與響應時間，我們選擇采用兩塊STM32F103C8T6作為控制系統和機械臂的主控芯片，控制系統以5V鋰電池為供電單元，JY-901九軸陀螺儀傳感器將采集到的角度信號傳送給ADC0832，ADC0832進行數模轉換將數字信號送給單片機進行處理，然后把數據通過LCD屏幕顯示出來，再以200ms為時間間隔傳輸數據給機械臂。由于本次課題設計應用實際情況，能夠實現遠距離無線對機械臂進行控制，本次設計選擇的藍牙模塊是HC-05模塊，HC-05 是一款高性能的從機藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP 等智能終端配對，HC-05藍牙模塊支持很大的波特率范圍：1200～115200，并且模塊兼容 5V 或 3.3V 單片機系統，使用非常靈活、方便。通過發送相應控制代碼，使機械臂能夠準確的接收當前角度的數據。機械臂接收到數據之后，使用PID算法使機械臂快速、平穩、準確的運行。

1.2系統原理

該設計數據發送端通過陀螺儀實時測量三維角度，角速度計算公式為：

滾轉角（x 軸）Roll=（（RollH<<8）|RollL）/32768*180°

俯仰角（y 軸）Pitch=（（PitchH<<8）|PitchL）/32768*180°

偏航角（z 軸）Yaw=（（YawH<<8）|YawL）/32768*180°

得到三維角度之后，單片機會將測量的角度顯示在LCD顯示屏上，并且每200ms把數據傳送給數據接收端。

數據接收端接收到數據之后，對比當前的數值和前一次接收到的數據，計算其中的差值，計算好之后，使用PID算法使機械臂能夠快速、穩定的運動到設定的空間位置。

2.軟件整體設計

該機械臂的整個程序的思路是：角度信號進行模數轉換，單片機讀取角度的數字值，經處理，然后將角度值送至液晶顯示器中進行顯示，并通過藍牙模塊發送實時數據。

MAIN.C

int main（void）

{

delay_init（）; ???? ?//延時函數初始化

LED_Init（）; ?//初始化與LED連接的硬件接口

uart_init（9600）; ? //串口初始化為115200

TIM_PWM_Init（1439，999）;//不分頻。PWM頻率=72000/（899+1）=80Khz

OLED_Init（）; //初始化OLED

OLED_Clear（）;

LED0=1;

DuoJi_Init（）; // 舵機初始化

while（1）

{

Usart_Init（）; // 串口初始化

}

}

3.系統實現效果分析

本設計采用了STM32單片機為整個系統的微控制器，在實現全部功能的同時極大的降低了成本，與其他微控制器相比，成優勢較高，采用了以ADC0832芯片為核心的數模轉換模塊，保證了信息的傳輸。采用了高性能的陀螺儀，能夠感受到角度的輕微變化。而且加入了時鐘模塊，時鐘模塊采用內部供電的方式，給殘疾人提供了極大的方便。整個系統穩定性好，操作簡單方便，為機械臂系統更加出色的完成任務提供了無限可能，又具有藍牙模塊，適用于遠距離的調控，即數據的傳輸。

4.結語

（1）本文設計采用高度集成化的A/D轉換芯片、單片機和液晶顯示模塊。大大簡化了硬件電路，顯著降低了電路板的體積和成本。

（2）電壓信號采集芯片ADC0832是系統正確工作的首要前提，為確保模擬信號的可靠采集，采集前需使用集成運放將傳感器信號放大。

（3）本系統不需要上位機的控制信號，在實際運行中更加貼近生活，達到較好的控制效果。

（4）本機械臂的控制系統體積小、檢測精度高且成本很低。適宜機械臂使用。

參考文獻

[1] ?齊楊.六軸工業機械臂運動控制系統設計與實現D];碩士學位論文;廣西：廣西科技大學，2019.5.

[2] ?馬宇豪.六自由度機械臂避障軌跡規劃及控制算法研究[D];中國科學院大學;碩士學位論文.北京：中國科學院大學，2019.5.

[3] ?王春榮.運用SolidWorks與ANSYS的仿人機械臂設計與分析[J];三明學院學報;2020年04期.

作者簡介：陳紅友（1986-），男，河南省洛陽市人，碩士研究生，項目導師;

高翔宇（1996-），男，河南省周口市人，本科生，項目主持人。

基金項目：河南省省級大學生創新訓練計劃項目（201912746007）