基于数据手套的遥操作多指灵巧手

信息化工业
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M S P430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PW M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。

①作者简介:张鹏程(1995—)，男，汉，安徽黄山人，本科，研究方向：测控技术与仪器。

DOI：10.16660/ k i.1674-098X.2016.07.001
基于数据手套的遥操作多指灵巧手
①
张鹏程 刘森 钱靖 安鹏宇 贾孟璇
（东南大学仪器科学与工程学院 江苏南京 210000）
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
图1 机械手外观实拍
图2 手指上的绳缠绕机构
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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T T L 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0x FF,Data1，Data2，Data3，Data4，Data5,0xF0形式，每一组数据由0x FF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0x 38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.M e r r i t t a n d M.R a j u ,“P W M D C M o
t o
r
图3 数据手套的数据组
（下转4页)
图4 手指动作控制
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Control Usi ng Timer A of the MSP430,”Texas Instr u ment s,De c,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AR M9的机械手控制系统的设
计[J].测控技术,2015(8):82-85.
过对智能化的执行机构进行合理运用，促使指挥者所需要的信息能够得到准确、快速地获取，同时使其能够按照相关指令来对列车的运行进行合理指挥和控制，从而让列车运行的安全性得到有效保障。

3 我国铁路信号系统的发展
随着改革开放的不断深入，我国铁路信号建设发展也得到了巨大进展。

如,铁路总公司调度指挥管理信息系统就具有非常显著的代表性意义，它是通过依据现代信息技术，对通信、计算机网络、信号以及多媒体技术进行综合运用，将三级四层构建出来，即铁路总公司、铁路局以及车站三级加上基层信息采集层的一种现代化运输调度指挥系统。

就目前而言，我国绝大多数的车站都已经装备了计算机联锁设备，大型编制站的自动化目标也都以实现。

我国所修建的青藏铁路，由于其存在着较为恶劣的高原自然条件等特殊情况，所采用的是具有较高安全性和可靠性的自动化控制设备[5]。

但是相对于国外发达国家而言，我国铁路运输技术的整体水平依旧还存在着很大差距。

由于我国人口数量较多，人均占有资源量较少，而铁路集邮较强的运输能力和较低的能源消耗等优点，首先，我国应该制定出统一、长久的发展规划。

铁路建设都具有较大的投资成本，在对线路进行改造或新建的过程中，应该对其未来的整体发展进行充分考虑。

可以多借鉴国外先进铁路系统，如闭环计算机控制系统等。

其次，在对新线路进行建设的过程中，应该制定出较高的起点。

虽然我国现有铁路信号设备和调度手段具有一定的安全性和可靠性，但是想要满足高速列车需求还依旧存在很大差距。

因此，在对新线路进行建设时，应尽可能的将建设标准提升，通过对新技术的运用，不但要为我国铁路信号生产企业的发展带来有效促进作用，为其未来竞争奠定基础，同时也要不断地积累经验，提升自身整体水平[6]。

再次，信号实时传递技术的应用。

为了让铁路运输的高效率调控能够得以实现，需要进一步提升信号的实时传递技术。

实时操作系统中的核心就在于实时多任务内核，最为主要的是要让“任务管理、定时器管理、资源管理、系统管理以及信息管理等得到有效实现。

铁路运行环境较为特殊，因此,必须要确保运用于此的控制系统的计算机米系统的安全性和可靠性，所运用的计算机系统必须具有较高的性能，从而才能让安全、可靠、不间断地运行信号监控与传递系统能够得到有效保障。

实现列车运行控制，使其效率得到提升的主要保障就在于实时响应，因此，对实时操作系统进行研发具有非常重要的意义。

最后，对铁路无线数字通信技术的研发速度要加强。

现代铁路信号系统都和无线数字通信网络有着非常密切的联系，可以说它是铁路信号系统中不可或缺的重要组成部分。

民用移动通信随着不断地发展，竞争也发激烈，发展速度逐渐降低，而我国铁路无线数字通信的发展水平还不是很高，依旧具有着非常大的拓展空间。

4 结语
总而言之，随着我国经济的不断发展，社会生产对铁路运输要求也越来越高，而铁路信号系统作为铁路运输中的重要组成部分，只有对其发展现状进行详细分析和掌握，运用各种方法来推动其发展，让其智能化、信息化目标得以实现，从而才能为我国铁路运输整体水平的提升带来显著帮助。

参考文献
[1] 张伟华.我国铁路应急通信图像传输系统的技术现状与
发展趋势[J].铁道通信信号,2013(4):6-7.
[2] 张锐.国内外铁路信号现状、差距对比和我国铁路信号发
展方向的思考[J].铁道标准设计,2013(7):117-120.
[3] 史文胜,吴江娇.我国铁路调度集中系统的现状与发展策
略[J].铁道运输与经济,2014(6):42-44.
[4] 崔瑞通.铁路信号设备机械结构(设计)的现状及发展的研
究[J].铁路通信信号工程技术,2014(3):24-26.
[5] 郭进.中国高速铁路信号系统发展与思考[J].自动化博
览,2012(6):53-55.
[6] 张杰.浅谈铁路信号综合防雷系统现状及优化方案[J].赤
子(上中旬),2014(15):294.
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