基于肌电信号控制的仿生机械手掌控制系统设计

  摘 要：采用肌电信号控制技术，设计了一款兼容 Arduino 编程和 STM32 开发的机械手掌控制系统，包含控制器、智能手套和机械手掌三部分，通过蓝牙通讯实现智能手套和机械手掌之间的运动同步。 实验结果表明，该系统具有控制灵活和操纵简单的特点，具有较大的应用价值。

  关键词：肌电信号；机械手掌；运动同步

  Abstract: Design of biomimetic manipulator control system based on EMG signal control, which is compatible with Arduino programming andSTM32 development. It consists of three parts: controller, intelligent glove and manipulator palm, the movement synchronization between theSmart Glove and the Robot Palm is realized by Bluetooth Communication. The experimental results show that the system has the characteristics of flexible control and simple operation, and has great application value.

  Keywords: EMG Signal; Mechanical Hand; Motion Synchronization

  仿生机械手掌[1-4]是当今科研领域及工业领域的研究前沿和热点, 兼有人的行为意识和机械手的作业效能， 因此在军事、医疗、空间、工业和海洋等领域有着广泛的应用前景[5-8]。 然而，目前在机械手掌的应用中， 对于机械手掌的操纵多为按键控制或者需要多个控制杆来控制一个机械手的运动，其设计繁琐，操作复杂，给操作者使用带来很大不便。

1系统总体设计

  本文设计了一款 Arduino 编程和 STM32 开发的智能手套控制机械手掌系统， 通过智能手套的传感器来采集人手臂的运动信息，然后通过智能手套的微控制器模块发送到总控制器，再经A/D 转换控制芯片采集相应的数字量信号，并编写控制算法程序实现舵机运动，达到智能手套与机械手掌同步运动的目的。 系统总体设计框图 1 所示。

2系统硬件组成

2.1控制器组成

  本系统通过智能手套实现同步控制机械手掌， 机械手套的主控器通过手指弯曲传感器和三轴加速度传感器采集手部的肌电信息，通过蓝牙将信息传送至机械手掌，机械手掌主控器接受到的相应控制信息后，进行信息的处理从而控制机械手掌运动，实现了智能手套远程控制机械手掌。 如图 2、图 3 所示。

2.2 智能手套

  智能手套由五个弯曲传感器、陀螺仪、无线发射模块组成。其中弯曲传感器分别检测不同手指的力数据， 控制机械手掌的手指弯曲。陀螺仪检测手掌的轴向加速度、轴向角速度以及轴向地磁数据，通过智能手套主控器上的 AHRS 算法将其转化机械手掌的左右运动、上下运动及翻转运动。 无线发射模块将采集到的数据进行处理打包发送至机械手掌主控器。 如图 4 所示。

 

2.3 机械手掌

  仿生机械手掌包括机械手本体、舵机、无线接收模块组成。无线接收模块接收到智能手套的肌电数据通过机械手掌主控器进行处理控制舵机实现机械手本体的运动。 机械手掌的主控器有 PE 机接口、单片机模块插座、PWM 舵机接口、蜂鸣器（支持低压报警）、5V 供电接口、3.3V 供电接口、总线舵机接口、串口通信接口等接口，还设置了 6 路舵机过流保护系统。 如图 5 所示。

3系统软件设计

  系统的软件设计流程如图 6 所示， 通过测试使用智能手套能实现机械手灵活的同步抓取物体如图 7 所示。

4结论

  本文采用肌电信号控制技术实现了智能手套同步控制机械手掌运动，对不同的几何外形的物体进行抓握测试，达到了预期的效果，具有控制灵活和操纵简单的特点，下一步将进行控制系统的优化，实现手部姿态更精确的控制。

参考文献：

[1]刘帅，孟岩.仿生机械手的设计与仿真分析[J].现代制造技术与装备，2019(12)：70-72.

[2]孙福旭，刘蓟南，张千宇.欠驱动仿生机械手的研究[J].南方农机，2019，50(11)：39.

[3]吕辛，乔尚岭，黄勇，等.绳驱动式欠驱动机械手稳定抓取构型分析[J].英文版.东南大学学报，2018(3)：309-316.

[4]千承辉，李芮林，李冰洋，等.基于多传感器数据融合的仿生机械手研究[J].压电与声光，2017，39(4)：490-493+497.

[5]李素蕊，李振新，于毅.智能仿生手的研究现状与发展展望[J].新乡医学院学报，2015，32(11)：1045-1047.

[6]李素蕊，于毅，董兵超，等.基于脑机接口技术下仿生手结构设计及分析[J].电子测试，2014(24)：113-115.

[7]王宏，姬彦巧，赵长宽，等.基于肌肉电信号控制的假肢用机械手的设计[J].东北大学学报，2006(9)：1018-1021.

[8]许哲，魏鹏，牟晓华，等.基于数据手套的仿生手硬件在回路仿真系统[J].机械设计与研究，2016，32(3)：43-46.