单片机的仿生机械手控制系统设计与实现【字数：9681】
仿生学目前处于一个飞速发展的阶段，在日本和欧美的发达国家已经将机械手应用到工业和工厂中。但是这些机械手只能完成单一的操作，那些复杂、危险、恶劣、极限的环境下需要人手来完成的操作，普通的工业机械手则显得无能为力。因此，各发达国家的工厂正迫切地希望研制出高性能的通用型五指形灵巧手来完成上述作业。本课题是基于Arduino UNO单片机的一款仿生机械手的控制系统设计与实现。其中主要设计的是仿生机械手的控制系统，是由控制电路板和机械结构组合而成的。其手指运动可以带动机械结构运动进而可以采集出手指运动的状态。根据手套上电位器值得变化，模拟出机械手的伸缩范围。修改手套中的程序用到了无线模块进行串口通信。人机交互界面用labview进行设计，可以实时监测到机械手的运动状态。
目录
1.绪论 1
1.1题研究背景和意义 1
1.2课题研究现状 1
2.系统总体方案 3
2.1系统实现的主要功能 3
2.2系统总体设计方案 3
2.3论文章节安排 4
3.系统硬件设计 5
3.1系统硬件电路总体设计 5
3.2蜂鸣器 5
3.3电位器 5
3.4舵机 6
3.5SB/TTL调试板 7
3.5.1芯片概述 7
3.5.2芯片特点 7
3.5.3芯片引脚 7
3.5.4工作原理 8
3.6无线模块 9
3.6.1引脚的定义 10
3.6.2模块的概述 10
3.6.3模块的特点 10
3.6.4基本参数 11
3.6.5工作原理 11
3.6.6HC12无线模块透传 12
4.软件设计 14
4.1系统程序总体设计 14
4.2 中值滤波算法 15
4.3初始化 15
4.3.1串口通信波特率的设置 15
4.3.2 LED显示灯和蜂鸣器的设置 15
4.3.3宏定义 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.3.4设置默认电位器值 16
4.4采集电位器的值 16
4.5写入读取到的电位器值 17
4.6读取已存入的电位器值 18
4.7采集值转换 19
4.8指令发送 21
4.9同步校正 21
4.10 LABVIEW同步显示 23
4.10.1串口初始化 24
4.10.2VISA读取 25
4.10.3VISA关闭 26
5.系统调试 27
5.1对手指伸缩范围进行校准 27
5.2对单一手指进行同步测试 30
6.总结 37
7.对环境及社会可持续发展的影响 38
8.参考文献 39
9.致谢 40
10.附件 41
绪论
课题研究背景和意义
在高新技术快速发展的今天，仿生机械学已经成为一个非常火热的研究方向，各个国家在仿生研究中投入了大量的精力。在仿生机械中，是以人类身体为原型用各种机械对人体行为进行模拟和完善的研究正在火热开展中。在人体模型中手是最复杂的运动器官，其灵活性和多用性是仿生研究中的一大难题。想要将模仿整个人体的运动 机械做好，就必须解决人手的模拟，仿生手的机械结构和控制系统将人手的复杂结构和灵活性模拟出来也是一个难题。
由于实际应用环境较为复杂，面对如今严峻的社会形势，仿生机械 可手替代人类完成一些危险、复杂情况下的工作。例如捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、搓等，普通的工业 机械手则显得无能为力。由于和人手一样带有五个手指和手掌 及分布触觉机能的五指形灵巧手具有极强的 功能和很高的通 用性，它完全可以代 替或者帮助人类在各种场 合下灵巧地完成各类复杂的作业。
比如在航天 领域，通过仿生机械手 完成在宇宙 空间 内安装、维修 机械 设备的一些工作，这样可以避免宇航员进 行太空行走 时所带来低 压、辐 射等 危 险;在安全 领域，可利用仿 生机 械手 完成诸 如探 险营 救，搬 运危险 品等恶 劣条件下的工作;在化学、生物领域，由于仿生机械手具有对人手动作高仿的特性，因此可利用仿生机械 手完成 危险 的生 物化学实 验，从而 保证 实验者 本身的 人身 安全。而在当 今的国际 形势下，对于 仿生 机械 的设计 水平与 技术先 进程 度也从 一个侧面反 映了一个国 家科研 的综合 技术水 平。
课题研究现状
从机器人这一概念提出之日起，人们便把其想象成能够像人一样具有高度的智能，能够完成各种复杂的操作。早在1973年，世界上第一个二足步行机器人WLl之父加藤一郎教授就曾表示，研究机器人并不仅仅局限在功能上，更在外形。并且他预见30年之后的21世纪，具有人的外形将成为机器人最重要的特征。当然加藤教授的预言并没有完全实现，也可能将被推迟30年或更多。然而自1986年开始研究到2000年，本田公司“ASIMO”仿人机器人的研制成功，以人的外形和功能为研究目标的仿人机器人的研究逐渐开展起来。
手是人获得认知的重要渠道，是人完成灵巧操作的最重要器官。机器人的出现就是为了帮助人完成一些任务，这样既简洁又方便而且还很安全。因此科研学者们在机械手的研究方面做了大量的探索与研究，毕竟作为机器人用来执行操作各种任务和复杂操作的一个重要组成部分。现在，在工业中工业机械手已经被广泛应用。其快速和精确的特点被这个行业所依赖，用来辅助人类来完成简单和重复性的工作，避免了人类在重复性工作上面的视觉疲劳。触觉传感技术是仿生机械手的而主要研究部分，但是触觉传感技术相对其他机器人传感技术比较而言相对落后，因此目前机械手的操作能力还是有限的，相对人手的灵活性和多用性来说差距是很大的。随着仿人机器人研究的不断研发和国家的鼎力支持，在原有二指、三指、四指形机械手研发的基础之上研究和开发五指形灵巧手在日、美等许多发达国家相继开展起来。
目录
1.绪论 1
1.1题研究背景和意义 1
1.2课题研究现状 1
2.系统总体方案 3
2.1系统实现的主要功能 3
2.2系统总体设计方案 3
2.3论文章节安排 4
3.系统硬件设计 5
3.1系统硬件电路总体设计 5
3.2蜂鸣器 5
3.3电位器 5
3.4舵机 6
3.5SB/TTL调试板 7
3.5.1芯片概述 7
3.5.2芯片特点 7
3.5.3芯片引脚 7
3.5.4工作原理 8
3.6无线模块 9
3.6.1引脚的定义 10
3.6.2模块的概述 10
3.6.3模块的特点 10
3.6.4基本参数 11
3.6.5工作原理 11
3.6.6HC12无线模块透传 12
4.软件设计 14
4.1系统程序总体设计 14
4.2 中值滤波算法 15
4.3初始化 15
4.3.1串口通信波特率的设置 15
4.3.2 LED显示灯和蜂鸣器的设置 15
4.3.3宏定义 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.3.4设置默认电位器值 16
4.4采集电位器的值 16
4.5写入读取到的电位器值 17
4.6读取已存入的电位器值 18
4.7采集值转换 19
4.8指令发送 21
4.9同步校正 21
4.10 LABVIEW同步显示 23
4.10.1串口初始化 24
4.10.2VISA读取 25
4.10.3VISA关闭 26
5.系统调试 27
5.1对手指伸缩范围进行校准 27
5.2对单一手指进行同步测试 30
6.总结 37
7.对环境及社会可持续发展的影响 38
8.参考文献 39
9.致谢 40
10.附件 41
绪论
课题研究背景和意义
在高新技术快速发展的今天，仿生机械学已经成为一个非常火热的研究方向，各个国家在仿生研究中投入了大量的精力。在仿生机械中，是以人类身体为原型用各种机械对人体行为进行模拟和完善的研究正在火热开展中。在人体模型中手是最复杂的运动器官，其灵活性和多用性是仿生研究中的一大难题。想要将模仿整个人体的运动 机械做好，就必须解决人手的模拟，仿生手的机械结构和控制系统将人手的复杂结构和灵活性模拟出来也是一个难题。
由于实际应用环境较为复杂，面对如今严峻的社会形势，仿生机械 可手替代人类完成一些危险、复杂情况下的工作。例如捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、搓等，普通的工业 机械手则显得无能为力。由于和人手一样带有五个手指和手掌 及分布触觉机能的五指形灵巧手具有极强的 功能和很高的通 用性，它完全可以代 替或者帮助人类在各种场 合下灵巧地完成各类复杂的作业。
比如在航天 领域，通过仿生机械手 完成在宇宙 空间 内安装、维修 机械 设备的一些工作，这样可以避免宇航员进 行太空行走 时所带来低 压、辐 射等 危 险;在安全 领域，可利用仿 生机 械手 完成诸 如探 险营 救，搬 运危险 品等恶 劣条件下的工作;在化学、生物领域，由于仿生机械手具有对人手动作高仿的特性，因此可利用仿生机械 手完成 危险 的生 物化学实 验，从而 保证 实验者 本身的 人身 安全。而在当 今的国际 形势下，对于 仿生 机械 的设计 水平与 技术先 进程 度也从 一个侧面反 映了一个国 家科研 的综合 技术水 平。
课题研究现状
从机器人这一概念提出之日起，人们便把其想象成能够像人一样具有高度的智能，能够完成各种复杂的操作。早在1973年，世界上第一个二足步行机器人WLl之父加藤一郎教授就曾表示，研究机器人并不仅仅局限在功能上，更在外形。并且他预见30年之后的21世纪，具有人的外形将成为机器人最重要的特征。当然加藤教授的预言并没有完全实现，也可能将被推迟30年或更多。然而自1986年开始研究到2000年，本田公司“ASIMO”仿人机器人的研制成功，以人的外形和功能为研究目标的仿人机器人的研究逐渐开展起来。
手是人获得认知的重要渠道，是人完成灵巧操作的最重要器官。机器人的出现就是为了帮助人完成一些任务，这样既简洁又方便而且还很安全。因此科研学者们在机械手的研究方面做了大量的探索与研究，毕竟作为机器人用来执行操作各种任务和复杂操作的一个重要组成部分。现在，在工业中工业机械手已经被广泛应用。其快速和精确的特点被这个行业所依赖，用来辅助人类来完成简单和重复性的工作，避免了人类在重复性工作上面的视觉疲劳。触觉传感技术是仿生机械手的而主要研究部分，但是触觉传感技术相对其他机器人传感技术比较而言相对落后，因此目前机械手的操作能力还是有限的，相对人手的灵活性和多用性来说差距是很大的。随着仿人机器人研究的不断研发和国家的鼎力支持，在原有二指、三指、四指形机械手研发的基础之上研究和开发五指形灵巧手在日、美等许多发达国家相继开展起来。
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