摘要：本文提出了一种机电系统来实现柔性手指的闭环力控制。制作了一个专属设计的微型称重传感器，并用作力控制器反馈的传感元件。本文将讨论所提议系统中涉及的所有元素，以及最初的问题识别，即为什么选择这种方法，以及为什么需要设计和制造定制的称重传感器。

1 前言

      尽管在软体手领域取得了很大的进步，但在自然人手的能力和软体手之间仍然存在着很大的差距。这种差距既不仅存在在商业上，也存在于该领域研究的艺术水平。此外，在尝试设计人手的替代品时，还存在许多权衡。例如，在价格和功能之间的权衡，或在制造使用的材料的价格和质量之间的权衡。此外，在分析市场或研究文献时，人们可能会发现一些软体结构在某些领域表现出色，而在其他领域表现不佳。换句话说，在功能方面，今天不可能存在100%模仿自然人手功能的软体手指。

      本研究旨在缩小软体手与自然人手之间的差距，特别是在精细力控制方面。此外，这项研究还旨在通过在价格、设计复杂性和易用性之间尽可能小的权衡来实现这一目标。这意味着我们的目标是找到一种可以应用于软体手的力控制解决方案，它具有商业制造可行性。为此，提出了一种机电一体化系统；该系统的主要元素包括一个具有整体结构的3D打印柔性手指，一个定制设计的用于力传感的称重传感器，一个具有高内传动比的小型直流电机，以及一个Arduino Mega控制系统。设计了一个简单的PID控制器，使手指保持在一定的设定值力。通过与单片机串行通信，可以改变设定值力。此外，还构建了一个测试平台，以验证系统能够以与给定设定值成正比的力保持手指。

2 动机和问题陈述

     力控制可以分为开环力控制和闭环力控制两类。在开环力控制中，可以直接实时控制软体手指的致动器力输出，并接收代表当前握力的触觉反馈。在本研究所要实现的闭环力控制中，抓握力有一个设定值，控制器自动尝试将该抓握力保持在该设定值，无需人工干预。然而，大多数闭环系统的结构都有一些缺点:

   （1）大多数系统都具有嵌入指尖的力传感元件的变化。但脆弱的传感元件在指尖，这可能会使整个结构容易因传感器损坏而失效。

   （2）传感器放置在指尖，控制器仅在被抓物体与指尖接触时工作，忽略所有其他接触区域。

   （3）以闭环力控制为特征的系统中，很大一部分需要制造直接嵌入手指的复杂传感器，增加了制造的复杂性。

其他系统采用不太先进的力控制形式，使用力敏电阻(FSR)来检测物体滑移。使用FSR作为主要传感元件的系统很少能做更多的检测滑动或初始触摸，因为超过80%的传感器范围被轻触所消耗。

而本文所诉的传感器旨在满足以下要求：

   （1）整个手指的精确力控制，而不仅仅是指尖；

   （2）组件必须小；

   （3）重量轻；

   （4）便于制造商组装；

   （5）整体成本低。

3方法和材料

     在本节中将详细讨论整个系统的构建。该系统由以下部分组成：A.单片柔性测试手指；B.定制微型称重传感器；C.内置限位开关的模块体；D.执行器和驱动器。

     系统实现使用的控制器是一块普通的Arduino Mega开发板，内置ATmega16U2微控制器。

                                                   图1  CAD模型显示

3.1 软体手指测试

     本文设计和制作了一个具有柔性铰链作为关节的手指。手指的尺寸是根据印度哈里亚纳邦产业工人的一项调查建模的。手指的尺寸是根据手的大小的第95百分位特别建模的。手指上的弯曲铰链直径为1.5mm，穿过手指厚度约为4.2mm的部分，手指最大弯曲所需的握力约为400g - 450g。

3.2 定制微型称重传感器

      为了用最少数量的传感器元件，或者准确地说是一个传感器，感知发生在整个手指上的任何力的变化，传感器必须放置在尽可能靠近执行器的地方。所提出的系统在肌腱驱动系统的中间放置了一个称重传感器；称重传感器的一端通过腱的一半连接到手指，称重传感器的另一端通过腱的另一半连接到驱动驱动器。使用这种设计，一次可以准确地测量肌腱的张力，从而产生更多关于整个手指握力的数据。

     称重传感器的测试样品由一小块2mm厚的铝板制成，尺寸为15mm x 24mm。称重传感器的外壳也是3D打印的。为了达到尽可能高的精度和精度，在称重传感器中使用了一个具有4个主动应变计的全桥电路(测试样品的每一侧各有2个)。应变片在焊接后被环氧树脂覆盖以保护。

      由此产生的称重传感器使用8个已知的重量进行校准；第一个重500克，每一个连续的重量增加100克。该称重传感器可安全读取最大重量为1500g。通过测试推断，该称重传感器的精度约为+/- 3g。

      理论上，测压元件应该具有亚克精度。然而，由于这个称重传感器的外壳是3D打印的，塑料中的变形降低了可靠的精度。

3.3 带有嵌入式限位开关

     模块体测压元件在屈伸过程中必须能够随肌腱自由移动。然而，在这一过程中，称重传感器方向的差异将导致横向误差。因此，在手指的屈伸操作期间，制作了一个外壳来保持称重传感器的方向笔直。此外，它有2个嵌入式限位开关，以避免称重传感器与外壳碰撞。伸缩限位开关还有一个额外的职责，那就是每次手指处于空挡位置时都要去削刻度。这有助于补偿迟滞误差。

3.4驱动器和驱动器

      手指由一个小型直流电动机驱动，它控制肌腱的张力。直流电动机有一个内部齿轮箱，提供一个高扭矩输出，以及一个锁紧机构，由于高减速比。电机在5v下测试，滑轮的有效半径为12.5mm，最大拉力为1240g。这转换为1240g x 6mm的总扭矩。此外，当连接到手指时，外部称重传感器的最大抓地力为160g，峰值力约为170g。

      在抓地力测试期间，内部称重传感器的力读数约为1100g。当手指达到最大屈曲时，称重传感器击中外壳末端的限位开关，从而关闭电机。由于电机锁定在关闭位置，称重传感器被拉向外壳壁，这导致压缩力抵消了感兴趣的张力。用相同的技术和相同的重量校准一个普通的称重传感器，连接到一个外部微控制器，以验证手指的握力。

      为了测试电机的最大转矩，将设定值设置为一个非常高的数字(10000g)，并将肌腱固定在原地，直到电机熄火并读取读数。对于最大抓地力测试，设定值也设置为10000g。然而，在最大抓地力测试期间，由于手指的灵活性，手指仍然有变形的空间，这可能会导致内部称重传感器的读数不同。

4 力控制试验

                                            图2 控制回路

      采用简单的PID控制器将力控制在某一设定值。这个设定值可以在运行时通过串口动态设置。控制器的反馈来自内部称重传感器。因此，设定值是指代表肌腱张力的内部称重传感器读数，而不是指代表手指握力的外部称重传感器读数。

                                                    图3 力控制测试装置

      结果采用上述测试设置，对PID控制器进行编程，使手指的力保持在用户通过串口设置的设定值。最初的设定值为400克，后来增加到900克。可以观察到，控制器能够保持手指的输出力接近设定值。事实上，在400g的设定值时，记录的误差小于%1。当设定值设置为900g时出现的可见偏移误差是由于内部称重传感器击中屈曲限位开关，这是手指的最大力。这与最大握力测试相一致，因为手指的握力(外部称重传感器读数)约为120g，而肌腱的张力(内部称重传感器读数)约为33。870g几乎与最大抓地力测试的值一致。

                                      图4 嵌入式称重传感器读数与控制器的设定值

                                          图5 外部称重传感器读数

      本文提出了一种机电一体化系统来完成单个手指的闭环力控制。定制设计的微型称重传感器是专门为系统的要求而设计和制造的。此外，还建立了一个试验台来测试所提出的力控制系统验证可行性。本研究的未来工作计划包括以下几点：

    （1）改进控制算法，使偏移误差最小化。

    （2）将所提出的系统应用于手部康复机器人，以调节手部训练力，探索所提出的系统在手部矫形器外骨骼系统中的应用。