【機械工業(yè)論文】肌電信號控制下的仿生機械控制系統(tǒng)設(shè)計

【機械工業(yè)論文】肌電信號控制下的仿生機械控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：采用肌電信號控制技術(shù)，設(shè)計了一款兼容Arduino編程和STM32開發(fā)的機械手掌控制系統(tǒng)，包含控制器、智能手套和機械手掌三部分，通過藍(lán)牙通訊實現(xiàn)智能手套和機械手掌之間的運動同步。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有控制靈活和操縱簡單的特點，具有較大的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：肌電信號；機械手掌；運動同步仿生機械手掌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,兼有人的行為意識和機械手的作業(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，目前在機械手掌的應(yīng)用中，對于機械手掌的操縱多為按鍵控制或者需要多個控制桿來控制一個機械手的運動，其設(shè)計繁瑣，操作復(fù)雜，給操作者使用帶來很大不便。1系統(tǒng)總體設(shè)計本文設(shè)計了一款A(yù)rduino編程和STM32開發(fā)的智能手套控制機械手掌系統(tǒng)，通過智能手套的傳感器來采集人手臂的運動信息，然后通過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，并編寫控制算法程序?qū)崿F(xiàn)舵機運動，達到智能手套與機械手掌同步運動的目的。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖1所示。2系統(tǒng)硬件組成2.1控制器組成本系統(tǒng)通過智能手套實現(xiàn)同步控制機械手掌，機械手套的主控器通過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，通過藍(lán)牙將信息傳送至機械手掌，機械手掌主控器接受到的相應(yīng)控制信息后，進行信息的處理從而控制機械手掌運動，實現(xiàn)了智能手套遠(yuǎn)程控制機械手掌。如圖2、圖3所示。2.2智能手套智能手套由五個彎曲傳感器、陀螺儀、無線發(fā)射模塊組成。其中彎曲傳感器分別檢測不同手指的力數(shù)據(jù)，控制機械手掌的手指彎曲。陀螺儀檢測手掌的軸向加速度、軸向角速度以及軸向地磁數(shù)據(jù)，通過智能手套主控器上的AHRS算法將其轉(zhuǎn)化機械手掌的左右運動、上下運動及翻轉(zhuǎn)運動。無線發(fā)射模塊將采集到的數(shù)據(jù)進行處理打包發(fā)送至機械手掌主控器。如圖4所示。2.3機械手掌仿生機械手掌包括機械手本體、舵機、無線接收模塊組成。無線接收模塊接收到智能手套的肌電數(shù)據(jù)通過機械手掌主控器進行處理控制舵機實現(xiàn)機械手本體的運動。機械手掌的主控器有PE機接口、單片機模塊插座、PWM舵機接口、蜂鳴器（支持低壓報警）、5V供電接口、3.3V供電接口、總線舵機接口、串口通信接口等接口，還設(shè)置了6路舵機過流保護系統(tǒng)。如圖5所示。3系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖6所示，通過測試使用智能手套能實現(xiàn)機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控制技術(shù)實現(xiàn)了智能手套同步控制機械手掌運動，對不同的幾何外形的物體進行抓握測試，達到了預(yù)期的效果，具有控制靈活和操縱簡單的特點，下一步將進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)手部姿態(tài)更精確的控制。參考文獻：1劉帥，孟巖.仿生機械手的設(shè)計與仿真分析J.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019(12)：70-72.2孫福旭，劉薊南，張千宇.欠驅(qū)動仿生機械手的研究J.南方農(nóng)機，2019，50(11)：39.3呂辛，喬尚嶺，黃勇，等.繩驅(qū)動式欠驅(qū)動機械手穩(wěn)定抓取構(gòu)型分析J.英文版.東南大學(xué)學(xué)報，2018(3)：309-316.4千承輝，李芮林，李冰洋，等.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的仿生機械手研究J.壓電與聲光，2017，39(4)：490-493+497.5李素蕊，李振新，于毅.智能仿生手的研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望J.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2015，32(11)：1045-1047.6李素蕊，于毅，董兵超，等.基于腦機接口技術(shù)下仿生手結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析J.電子測試，2014(24)：113-115.7王宏，姬彥巧，趙長寬，等.基于肌肉電信號控制的假肢用機械手的設(shè)計J.東北大學(xué)學(xué)報，2006(9)：1018-1021.8許哲，魏鵬，牟曉華，等.基于數(shù)據(jù)手套的仿生手硬件在回路仿真系統(tǒng)J.機械設(shè)計與研究，2016，32(3)：43-46.