张鹏程 刘森 钱靖 安鹏宇 贾孟璇

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

摘 要：为了以更直观的方式控制仿人机械手，提高仿人机械手的操作性能，该文设计和实现了基于数据手套的遥操作多指灵巧手控制系统。提出了数据手套通过计算机系统和MSP430单片机对多自由度多指灵巧手进行实时控制的方案。该方案通过多指灵巧手与数据手套的结合提高了该系统的控制精度与交互性。该文将从设计方案的各个模块和实验结果说明基于数据手套的遥操作多指灵巧手控制系统的先进性和实用性。

关键词：数据手套 多指灵巧手 MSP430 遥操作

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0001-03

随着机器人应用领域的不断扩展，机器人作业的任务和环境的复杂性不断地增加，仿人机械手作为机器人末端操作器，具有多自由度、多指协调、灵活性强的特点，因此，能满足更灵巧以及精细的任务的要求。仿人机械手是一个复杂的机器人系统，若采用传统的操作者向控制器输入指令的控制模式，很难实现实时性和较好的交互性。而采用数据手套作为输入，不仅能灵活的控制仿人机械手，而且具有自然、直观、实时性强的优点，是提高仿人机械手操作性能和作业水平的有效途径[6]。

目前，在国外，有使用数据手套作为输入设备，对机械手抓取操作控制等的研究，也有对手势识别的研究[5]。在国内，也有学者对相关方面的研究。该文采用的控制模式是操作者使用数据手套通过MSP430单片机系统实时控制机器人，操作者通过改变数据手套的姿态对机械手做出相应的调整。与传统控制方法中操作者通过输入运动指令的间接控制相比，这种直接的控制方法更加符合人类的操作习惯，它的操作简单、高效，大大提高了交互性。

1 系统框架

该系统主要由数据手套、多指灵巧机械手、MSP430单片机3个部分组成[9]，并在单片机和多指灵巧手上使用了一组无线模块用来传输控制信号，从而在一定距离内实现了对机械手的遥操作。操作者通过改变数据手套的姿态，MSP430单片机可对得到的数据进行处理，转换成相应的PWM波信号通过无线传输的方式控制机械手手指舵机转动，从而实现对手套姿态的跟踪[7]。

2 原理与设计

多指灵巧机械手有如下几个方面[1]。

2.1 机械手结构

该文所使用的灵巧手是在参考人手骨骼特点的基础上设计的一种具有适应性的欠驱动机构。整个机械手由手掌、手指以及各个手指的驱动传动机构和回复机构组成，具多个自由度，能完成人手的简单抓握。考虑到与人手外观的相似性，采用了五指的形式。其中拇指具有与人手拇指相同的机构，其余四指各具有3个转动自由度，根关节不具有摆动自由度（图1、图2）。

2.2 控制机构设计

该机械手采用航模中的舵机作为动力，结合单片机组成的控制系统，通过对5个手指的分别控制，实现对灵巧手进行多自由度控制。舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈比例电位器、直流电机、控制电路板组成。控制电路板接受来自控制端口的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出轴。舵机的输出轴和位置反馈比例电位器是相连的，输出轴转动的同时，带动位置反馈比例电位器，转换为一比例电压反馈到控制电路板，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，达到目标后停止。

3 实验与分析

该文设计的基于数据手套的遥操作多指灵巧手，拥有能完整完成人手复杂动作的能力。已经从数据手套发送数据和机械手能够完整完成人的动作两个方面进行验证。

3.1 验证手套发送数据

由于数据手套是由5个应变片、一个微控制器组成的，它向外输出TTL信号，所以，在完成供电准备之后，使用CP2102模块转对其信号进行转换。

可以看到数据成0xFF，Data1，Data2，Data3，Data4，Data5，0xF0形式，每一组数据由0xFF开始，以0xF0结尾，中间每一个Data都代表了手指的弯曲程度（如图3）。

通过观察可以发现，随着手指弯曲得到的数据也会改变，我们弯曲的这种程度可以让数据从0x38变化到0x4A左右。

3.2 系统功能验证

为了验证该文所述系统的功能，我们按照上文所述进行实际搭建并完成了相应控制程序的编写。实验结果表明，该文所述的基于数据手套的遥操作机械手系统可以较好地实现多指灵巧机械手对操作者手部动作的实时准确跟踪，并具有在一定范围内的遥操作功能。

单个手指动作控制如图4所示。

4 结语

该文设计实现了一种基于数据手套的多指灵巧手，可以实现人手实时操控机械手的功能，并且我们所设计的机械手的手指弯曲极限程度接近人手，模仿精度较高，可以夹起一些很轻的物体。并且由于无线传输模块的加入，可以实现在一定范围内的遥操作功能，提高了机械手的实用性。与传统的机械手控制系统相比，本系统具有体积小、可进行远距离操作、操作简单直观的优点，具有较为广泛的应用前景，在未来还有较大的发展潜力。

参考文献

[1] 王超群.绳驱动五指灵巧手的设计[J].上海电机学院报，2012（5）：301-305.

[2] 韦婷，肖南峰.基于数据手套的仿人机械手控制系统[J]. 计算机工程与设计，2009，30（7）：1707-1711.

[3] 张建鹏，刘世前，敬忠良.基于MSP430的舵机控制系统设计[J].微电机，2010，43（1）：46-49.

[4] B.Merritt and M.Raju，“PWM DC Motor Control Using Timer A of the MSP430，”Texas Instruments，Dec，2000.

[5] 李东洁，李君祥，张越，等.基于PSO改进的BP神经网络数据手套手势识别[J].电机与控制学报，2014（8）：87-93.

[6] 张俊杰，李世其，熊友军.基于数据手套的机械手控制技术应用[J].计算机应用研究，2006（7）：170-171.

[7] 刘杰，张玉茹，刘博.人手到灵巧手的运动映射实现[J].机器人，2003（5）：444-447.

[8] 耶晓东.基于单片机的简易机械手的设计[J].微计算机信息，2009（14）：230-231.

[9] 李海标，甘镇钊，杨硕.基于ARM9的机械手控制系统的设计[J].测控技术，2015（8）：82-85.