肌電信號控制下的仿生機械控制系統設計

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摘要：采用肌電信號控制技術，設計了一款兼容Arduino編程和STM32開發的機械手掌控制系統，包含控制器、智能手套和機械手掌三部分，通過藍牙通訊實現智能手套和機械手掌之間的運動同步。實驗結果表明，該系統具有控制靈活和操縱簡單的特點，具有較大的應用價值。

關鍵詞：肌電信號；機械手掌；運動同步

仿生機械手掌[1-4]是當今科研領域及工業領域的研究前沿和熱點,兼有人的行為意識和機械手的作業效能，因此在軍事、醫療、空間、工業和海洋等領域有著廣泛的應用前景[5-8]。然而，目前在機械手掌的應用中，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，其設計繁瑣，操作復雜，給操作者使用帶來很大不便。

1系統總體設計

本文設計了一款Arduino編程和STM32開發的智能手套控制機械手掌系統，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送到總控制器，再經A/D轉換控制芯片采集相應的數字量信號，并編寫控制算法程序實現舵機運動，達到智能手套與機械手掌同步運動的目的。系統總體設計框圖1所示。

2系統硬件組成

2.1控制器組成

本系統通過智能手套實現同步控制機械手掌，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，通過藍牙將信息傳送至機械手掌，機械手掌主控器接受到的相應控制信息后，進行信息的處理從而控制機械手掌運動，實現了智能手套遠程控制機械手掌。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、無線發射模塊組成。其中彎曲傳感器分別檢測不同手指的力數據，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據，通過智能手套主控器上的AHRS算法將其轉化機械手掌的左右運動、上下運動及翻轉運動。無線發射模塊將采集到的數據進行處理打包發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據通過機械手掌主控器進行處理控制舵機實現機械手本體的運動。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，還設置了6路舵機過流保護系統。如圖5所示。

3系統軟件設計

系統的軟件設計流程如圖6所示，通過測試使用智能手套能實現機械手靈活的同步抓取物體如圖7所示。

4結論

本文采用肌電信號控制技術實現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的優化，實現手部姿態更精確的控制。

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作者：陳濤 杜福鵬 單位：蘭州石化職業技術學院