关于助老机械手臂的设计

绿色质量观察 作者简介 于文龙 1991 男 硕士研究生 研究方向为控制工程 关于助老机械手臂的设计 The Design of the Old Mechanical Arm 于文龙 山东科技大学电气与自动化工程学院 山东 青岛 266590 Yu Wen long College of Electrical Engine and Automation Shandong University of Science and Technology Shandong Qingdao 266590 摘 要 当今社会 老年人在整个社会群体中占据重要的比例 老年人的需求越来越引起人们的重视 在此 背景下 该文设计了一款助老机械手臂来帮助老年人对物体进行抓取 满足老年人日常生活的需要 文中 简单介绍了机械手臂的机械本体结构 对系统的工作流程进行了说明和讲解 分析介绍了系统的硬件和 软件组成 设计了以 stm32 单片机为核心的控制系统 整套系统采用上下位机的控制形式 选用舵机驱动 手臂关节 在系统软件控制下 实现各种功能 关键词 机械手臂 本体结构 控制系统 舵机 中图分类号 TP241 3文献标识码 A文章编号 1003 0107 2017 03 0038 05 Abstract In the modern society the elderly occupy an important proportion in the entire social groups The needs of the elderly attract more and more people s attention In this context this article designed a mechani cal arm to help the elderly to crawl the object for meeting the needs of the elderly daily life In this paper the mechanical structure of the manipulator is briefly introduced and the working flow of the system is explained The hardware and software components of the system are introduced and the control system with stm32 is designed The robot adapts control form of two piece of single ship control which drives the movement joints based on steering engine We can achieve its various functions with the software system control Key words mechanical arm mechanical structure control system steering engine CLC number TP241 3Document code AArticle ID 1003 0107 2017 03 0038 05 0 引言 随着医疗水平的提高和人们生活水平的改善 我国 的老年人数量呈现整体上升趋势 我国正在逐步进入老 龄化社会 经过人口普查 当前我国的人口不同年龄段 的人口情况如图 1 所示 图 1 各年龄段人口比例图 从图 1 中我们可以得知 老年人在我们人口总数中 占有重要比例 且在二十年之后 老年人的数目和比例 更会有较大的提升 因此他们的生活需求很值得引起人 们的重视 越来越多的老年人一方面给个人和家庭造成了严 重的负担 另一方面还给国家的医疗系统和社会保障体 系产生巨大的压力 在当前情况下 如何解决生活不能 自理的老年人的护理问题已经成了我们当前的严重社 会问题之一 1 随着年龄的增加 老年人的身体机能会发生一系列 的退化 所以在不久的将来 我国社会对于老年人保健 产品的需求量将是十分巨大的 面对这一难题 科技是 解决这一问题的唯一途径 近年来 机器人行业的工作 重心比例发生了极大的改变 不仅仅像过去那样高度集 中于生产制造业 相反 越来越多的机器人厂家看到老 年人群体的潜在需求 为助老产品的开发做出了巨大的 38 电子质量2017 年第 03 期 总 第 360 期 投入 本文所介绍的助老机械手臂在这种大背景下应运 而生 1 主要研究内容 建立了一个机械手的平台 基于这个平台 我们可 以通过 PC 机来对机械手进行控制 包括对目标点的定 位以及柔顺抓取 保证抓取的物体不会损坏 采用激光 传感器和陀螺仪对相关的目标点进行定位 通过运动学 解算出各个关节所需要的转动角度 转到目标后 对目 标物体实行抓取 机械手的指端装有 FSR 力敏传感器 在抓取过程中柔顺控制策略采取模糊 PID 控制 下位机 选用 STM32 微控制器 通过输出的 PWM 脉冲对机械手 末端的步进电机进行控制 在不超出安全抓取力的范围 下 对物体实行有效的抓取 1 1 手臂的机械结构设计 手臂的机械结构的合理性对于整个系统而言是至 关重要的 机械手的结构图如图 2 所示 图 2 手臂机械结构图 在结构设计上 机械手仿照人体上肢尺寸设计 分 为肩 肘 腕三个关节 为了满足机械手臂的实用性 三 个关节均设为转动关节 各个关节均由舵机驱动 肩肘 两关节的动作实现对机械手的位置控制 而腕部则主要 实现对机械手的姿态的控制 各个关节协调运作使机械 手有了很强的实用性 为了实现对不同刚度物体的精确 力抓取 在机械手指末端加载了 FSR 力敏传感器 将力 信息返回到上位机 手端放大图如图 3 所示 图 3 机械手前臂三维图 1 2 控制系统的构成 机械手臂控制系统的示意图如图 4 所示 图 4 控制系统工作示意图 如图 4 所示 整套系统包含上位机和下位机两大控 制模块 上位机选择普通的 PC 机即可 负责处理各传 感器传来的数据 并对各个舵机进行运动控制 通过对 舵机下达运动相关指令 使机械手能够转到目标相应位 置 实现对机械手的定位需求 在建立系统前 我们需要 建立相应的坐标系 实现各个模块的坐标正确转换 与 此同时 我们还要对各个舵机建立相应的 D H 坐标系 在这些工作做好的前提下 激光测距仪和陀螺仪得到的 数据才是整个系统所需要的 下位机采用 STM32F103ZET6 单片机芯片 其核心 主控图如图 5 所示 39 图 5 STM32 单片机核心主控图 STM32 单片机在整套系统中起着重要的作用 STM 32 有 1 3 个 ADC 这些 ADC 既能够独立使用 也能够 采用双重模式 STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模 拟 数字转换器 它有 18 个通道 可以测量 2 个内部和 16 个外部信号源 各个通道的 A D 转换可以单次 连 续 扫描或间断模式执行 2 ADC 的结果可以存储在 16 位的寄存器中 STM32F103 系列最少都有两个 ADC 这 里选择的STM32F103ZET包含三个ADC STM32的ADC 的最大转换速率为 1MHz 转换时间也就是 1 s ADC 的时钟不要超过 14MHz 否则会导致结果精准度下降 在系统工作过程中 STM32 单片机不断获得手指端力敏 传感器的电压数据 并将其转化为数字信号并传输到上 位机 2 FSR 力敏传感器的设计 FSR 薄膜压力传感器属于力敏传感器的一种 相对 于其他力传感器 FSR 传感器有着突出的特点 比如灵 敏度高 厚度较小 持久耐用等等 基于这一系列的突出 优点 该传感器的本质是当压力值发生改变时 传感器 内部的电阻会发生改变 在输入电压不变的情况下 随 着压力的增大 输出的电压会增大 输出的电压信号输 入 stm32 单片机进行模数转换 传送到上位机 在助老机械手的控制系统中 我们选用的 FSR 型 号为 FSR400 实物图如图 6 所示 图 6 FSR400 实物图 40 电子质量2017 年第 03 期 总 第 360 期 下转 46 页 图 8 模糊控制的原理图 FSR400 是一种相对精确的力传感器 触摸力度和 灵敏度都十分可观 由于 stm32 的 ADC 的参考电压 Vref 3 3V 为了保证输出电压的有效性 故设计以下电 路 如图 7 所示 图 7 FSR400 硬件电路图 3 抓取控制方案 在控制策略方面 就当前而言 应用最广泛的便是 PID 控制算法 本次的设计使用模糊 PID 的控制策略 模糊控制是 近年来兴起的一种先进控制方法 模糊控制的原理图如 图 8 所示 模糊控制器通过对被控对象进行实时在线采样 将 所得数值与参考值相比较得到误差信号 这便是整个模 糊控制器的输入量 我们再通过一系列的模糊语言规 则 将精确误差信号 e 转化为模糊量 E 根据模糊合理 合成规则对 E 和模糊控制规则进行决策得到模糊控制 量 3 在本次设计中 为了实现对机械手的精确控制 需 要把模糊量 U 进行解模糊处理 得到精确的控制量 U0 从而实现对机械手抓取力的精确控制 在本次机械手的 控制系统中 抓取力的获取通过压力传感器 FSR400 来 获得 抓取力偏差 e 为 e F1 F0 1 式 1 中 F1为实时测量的抓取力 F0为期望的抓取 力数值 抓取力偏差率 ec 为 ec e t1 e t0 2 式 2 中 e t1 当前时刻抓取力偏差 e t0 为上一采样 周期的抓握力偏差 将压力传感器 FSR400 测得到的抓握力偏差和偏 差变化率作为模糊系统的输入变量 经过模糊推理等步 骤 最终的得到模糊输出控制量 Kp Ki Kd 该方案相比 于传统的 PID 控制有着较为突出的优势 可以实现在线 整定 PID 参数 减少了 PID 参数试凑工作的工作量 4 软件调试 软件调试是整个系统的重要组成部分 整套系统主 要涉及到两个软件的应用 包括 Visual studio 和 Keil MDK5 上位机我们采用美国微软公司的开发工具 Mic rosoft Visual Studio 简称 VS VS 是一个基本完整的开发 工具集 几乎包含了整个软件生命周期所需要的绝大多 数工具 我们通过在 VS 中建立 MFC 工程文件 作为整 套系统的上位机程序 上位机程序主要由串口通信 数 据计算等部分组成 激光传感器等外设通过 USB 口与 PC 机相连 并根据通信协议的不同选择相应的电平转 换器 keilMDK5 是德国知名软件公司 Keil 现已并入 ARM 公司 开发的微控制器软件开发平台 是目前 ARM 内核 单片机开发的主流工具 Keil 提供了包括 C 编译器 宏 汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调试器在 内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uVision 将 这些功能组合在一起 我们的下位机采用 stm32 微控制 器 具有编程简单 通讯方便的特点 下位机主要实现对 压力信号的采集 进行相应的模数转换 并 将转换后的结果传输到上位机进行进一步 41 上接 41 页 的处理 此外 stm32 还通过输出 PWM 脉冲实现对手爪 端电机的控制 从而实现对机械手物体抓取的控制 通 过 J link 下载器将相应的程序下载到 stm32 芯片中 完 成下载后 检查各线路连接无误 最终运行整套控制系 统 观察实际运行效果与理想结果进行对比 查找各个 方面的漏洞并加以改正 力保整套系统的精确运行 5 结语 随着社会的发展 人口老龄化问题日益加剧 本文 所设计的控制系统在解决这一问题上有着很强的使用 价值 当前是机器人高速发展的时期 助老机器人方面 的研究更要迎头赶上 未来助老机械手的发展和应用空间更加广阔 它必 将会成为老年人日常生活不可缺少的重要工具 参考文献 1 张运刚 人口老龄化背景下的中国养老保险制度 M 成都 西南财经大学出版社 2005 2 喻金钱 喻斌 STM32F 系列 ARM Cortex M3 核微控制 器开发与应用 M 北京 清华大学出版社 2011 3 黄卫华 方康玲 模糊控制系统及应用北京 M 北京 电 子工业出版社 2012 游戏过程中不可能一直逃生直到逃生成功 所以这 里设置一个逃生的时间 根据迷宫的复杂程度以及角色 的逃生速度 将时间设置为 2000S 当在逃生时间大于 0 逃到电梯位置时 判定逃生成功 当在逃生时间结束之 前没有到达电梯位置时 假设逃生人员死忙 逃生失败 摧毁角色 并弹出逃生失败的界面并选择进入培训关 卡 图 9 所示为设置逃生时间图 图 9 设置逃生时间 3 结语 因为真实大型迷宫需要的成本太高 在实际的执行 过程中也有太多的问题 本游戏旨在通过虚拟现实的方 式使得玩家能够体验到这一类大型的迷宫逃生游戏 尽 可能的沉浸在游戏中 享受到游戏的乐趣 参考文献 1 EPIC UE4 官方文档 EB OL https www unrealengine co m zh CN unreal engine 4 2 高义栋 李曼曼 雍炎炎 等 基于 UDK 引擎的图书馆虚 拟漫游系统的设计与实现 J 现代教育技术 2013 2