CN103895022A - 穿戴式体感控制机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式体感控制机械手，包括：机械手、无线终端数据处理及发射系统、人体手臂姿态数据采集系统、手臂控制端数据处理及发射系统，机械手和无线终端数据处理及发射系统相连，人体手臂姿态数据采集系统与手臂控制端数据处理及发射系统相连，手臂控制端数据处理及发射系统与无线终端数据处理及发射系统通过无线信号进行数据通讯。本发明是一种能够应用于工业控制领域的能够通过人体手臂体感来直接控制机械手的机械手控制方案，本发明避免传统的机械手控制方案的弊端，能够高效地通过人体来进行迅速有效的控制。

Description

穿戴式体感控制机械手

技术领域

本发明涉及工业控制领域，尤其涉及一种穿戴式体感控制机械手。

背景技术

机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

目前，操控机械手的常见方法有：1.通过固化程序，实现固定的机械手的动作。这种控制方法不具备应变性，常见于工业流水线。2.由操纵杆控制大型机械臂。这种方法要求操作者控制机械手各个关节的操纵杆来对机械手进行控制，这样的控制不够直观，对操作者经验技术要求较高，且存在误操作的问题。3.运用摄像头进行体感控制。通过在机械手上做摄像头能够分辨的标记，然后采用摄像头对机械手的实时状态进行实时反馈并进行相应的控制。这种方法因为摄像头只能获得平面化的数据，所以很难反应机械手的整个的空间状态。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种穿戴式体感控制机械手，不仅可以通过用人体动作来直接控制机械手，而且可以通过无线的方式对控制信号进行传输，使得人可以在远距离、相对安全的环境中控制机械手。

技术方案：本发明所述的一种穿戴式体感控制机械手，包括机械手，每个关节都装有舵机进行精确的角度控制；无线终端数据处理及发射系统，用于机械手数据的无线传输、处理和驱动控制；人体手臂姿态数据采集系统，用于采集人体关节处的角度信息；手臂控制端数据处理及发射系统，用于手臂控制端数据的无线传输和处理；机械手和无线终端数据处理及发射系统相连，人体手臂姿态数据采集系统与手臂控制端数据处理及发射系统相连，手臂控制端数据处理及发射系统与无线终端数据处理及发射系统通过无线信号进行数据通讯。通过人实际手臂的动作来使机械手做相应的动作，区别于传统的单个关节摇杆控制的方式，具有体感直接控制机械手的特性。通过无线控制信号与机械手终端的无线传输，实现人与机械手环境的分隔，区别于传统的通过线缆连接的方式，人可以在远程在相对安全的环境中操控出于相对极端环境中的机械手进行相应的作业。

所述无线终端数据处理及发射系统，包括主控系统B以及与主控系统B连接的摄像头模块、无线模块B和舵机驱动模块；主控系统B用于驱动无线模块与摄像头模块，并对传输的数据进行处理，转化成PWM控制信号；摄像头模块用于捕捉机械手的实时运行数据；无线模块B用于接收远程传输过来的人体手臂姿态数据，以及进行机械手实时画面的传输；舵机驱动模块对舵机输出PWM控制信号，驱动机械手上的舵机。

所述摄像头模块安装在机械手的前方。通过机械手端的摄像头进行实时状态的反馈，人根据终端传回的画面进行进一步的对机械手的控制，这样的方式可以保证控制的精确度。

所述手臂控制端数据处理及发射系统，包括无线模块A以及主控系统A，主控系统A用于对人体手臂姿态数据采集系统采集的数据进行数据的耦合处理，无线模块A用于将处理的数据传送给无线终端数据处理及发射系统。

所述人体手臂姿态数据采集系统包括传感器模块，由陀螺仪与加速度传感器组成，负责采集人体关节处的角度信息，然后传送给手臂控制端数据处理及发射系统。

所述人体手臂姿态数据采集系统采集人体关节处的角度信息的步骤为：所述陀螺仪与加速度传感器数据融合，获得在以地面为参考系的坐标下的yaw、pitch、row三个欧拉角数据，通过将关节两边的陀螺仪与加速度传感器角度数据做差比较，获得人体手臂关节的弯曲角度、旋转角度。

所述人体手臂姿态数据采集系统中陀螺仪与加速度传感器分别安装在肘关节和手腕关节内侧上下两边1-2cm处以及手指上。为了更加精确地获得更加稳定的数据，必要时可以在关节附近增加一些陀螺仪与加速度传感器。

所述机械手由6个舵机构成，舵机分别对应于手臂上肢关节、肘关节、手腕关节以及手的开合自由度，各个关节通过钢结构相互连接。

还包括显示器，用于显示机械手所处的实际位置与外界的环境信息，与主控系统A相连。

还包括电源模块，用于为各个模块供电。

工作原理：由舵机构成的具有人体生理结构特征的机械手，采用两个主控系统进行数据的采集和机械手的控制，主控系统A负责人体手臂姿态数据的采集，与陀螺仪与加速度传感器、无线传输模块以及显示器连接；主控系统B负责终端数据处理及发射，与摄像头模块、无线模块、舵机驱动模块和机械手连接。陀螺仪与加速度传感器连接到主控系统A，对数据进行融合处理，并通过无线模块A将信息发送出去；主控系统B读取无线模块B接收到的由无线模块A发送的人体手臂姿态信息，并由与主控系统B连接的舵机驱动模块驱动舵机，完成对人体手臂的模仿。主控系统B通过驱动摄像头模块获取机械手实时姿态并通过无线模块B发送给基站。最终实现人在远程相对安全的环境中，操控处于相对极端环境中的机械手进行相应的作业。

有益效果：本发明通过人实际手臂的动作来使机械手做相应的动作，区别于传统的单个关节摇杆控制的方式，具有体感直接控制机械手的特性，能够高效地通过人体来进行迅速有效的控制。通过机械手端的摄像头进行实时状态的反馈，人根据终端传回的画面进行进一步的对机械手的控制，这样的方式可以保证控制的精确度。通过无线传输的方式，实现人与机械手环境的分隔，区别于传统的通过线缆连接的方式，使得人从极端严酷的环境中解放出来，可以在相对安全舒适的环境中进行作业，保障了人的生命安全。另外通过安装在机械手终端的摄像头，可以实时监控机械手的运行状态，使得机械手的运行更加稳定可靠。因此，本发明具有直接、迅速、方便、易于观察和实时响应等优点。

附图说明

图1是本发明示意图；

图2是本发明人体部分的结构示意图；

图3是本发明机械手部分的结构示意图；

图4是本发明体感数据采集部分软件结构示意图；

图5是本发明机械手控制部分软件结构示意图。

具体实施方式

一种穿戴式体感控制机械手，包括具有类人型特征的机械手，其关节结构和人体骨骼构成类似、无线终端数据处理及发射系统、人体手臂姿态数据采集系统、手臂控制端数据处理及发射系统。机械手和无线终端数据处理及发射系统相连，人体手臂姿态数据采集系统与手臂控制端数据处理及发射系统相连，手臂控制端数据处理及发射系统与无线终端数据处理及发射系统通过无线信号进行数据的通讯。

机械手：具有人体仿生特征，包括手臂上肢关节、肘关节、手腕关节以及手的开合这些自由度，每个关节由舵机进行精确的角度控制，能够完全模拟手臂的弯曲、旋转等动作。

无线终端数据处理及发射系统：由摄像头模块、无线模块B16、主控系统B14和舵机驱动模块组成，摄像头模块负责捕捉机械手的实时运行数据，主控系统B14负责驱动无线模块与摄像头模块，并对传输的数据进行处理，转化成PWM控制信号驱动机械手上的舵机。无线模块B16负责接收远程传输过来的人体手臂姿态数据，以及进行机械手端实时画面的传输。

人体手臂姿态数据采集系统：由5个陀螺仪与加速度传感器组成，负责采集人体关节处的角度信息，然后传送给手臂控制端数据处理及发射系统。

手臂控制端数据处理及发射系统：由无线模块A7以及主控系统A6组成，人体手臂姿态数据采集系统采集的数据传送给主控系统A6进行数据的耦合处理，然后通过无线模块A7将数据传送给机械手终端。

如图1所示，传感器模块获得手臂数据通过主控系统A6处理发送，机械手通过主控系统B14接受信息并进行输出控制。

（1）机械手

由6个舵机构成的具有人体生理结构特征的机械手，如图3所示，第一舵机8和第二舵机9两个舵机分别对应于人手臂与人身体连接处的两个自由度，第三舵机10对应于人手的肘关节，第四舵机11和第五舵机12分别对应于人小臂弯曲和转动的两个自由度。第六舵机13对应于人手张开与合上的自由度。各个关节通过钢结构相互连接，各个舵机分别对应人体的各个关节。

（2）无线模块

无线模块包括无线模块A7、无线模块B16，其中无线模块A7包括用于传输人体姿态数据信息的数据传输模块，无线模块B16包括用于传输摄像头15图像信息的图像传输模块。为了不产生串扰，两个模块分别工作在2.4GHz频段和5.8GHz频段。

（3）舵机驱动模块

对舵机输出一定PWM信号时，舵机可以保持一定的旋转角度不改变，采用大扭矩的舵机，来抵抗机械手本身由于重力作用所带来的角度误差，提高控制的精准度。

（4）摄像头模块

采用高分辨率的摄像头15，安装在机械手的前方，必要时可以增加摄像头15的数量，多角度全方位对机械手进行监控。

（5）陀螺仪与加速度传感器模块

采用陀螺仪与加速度传感器模块（例如MPU6050）进行数据的采集，必要时可以增加传感器的数量，要求体积小，便于安装携带，易于做成可佩带装置。陀螺仪与加速度传感器分别安装在肘关节和手腕关节内侧上下两边1-2cm处，另外一个安装在手指上。为了更加精确地获得更加稳定的数据，必要时可以在关节附近增加一些陀螺仪与加速度传感器。

（6）主控系统

主控系统包括主控系统A6、主控系统B14，在机械手终端采用主控系统B14进行无线数据的接收处理，以及舵机PWM信号的输出。在控制端采用主控系统A6进行数据的采集处理与数据传输。主控系统A6、主控系统B14模块要求体积小，便于携带，这样可以做成一个小物品方便佩戴在人身上。

（7）电源模块

本发明系统中各个模块的电压不相同，所以我们要对供电电压进行分别处理。使用AC-DC变压器输出直流给机械手舵机进行供电；控制器部分，使用34063芯片进行升压或者降压，用2040芯片进行稳压，输出直流5v电压给控制器进行供电。人体体感部分可以采用轻便的锂电池进行供电，便于人体携带。

采用软件开发平台，搭建软件服务框架，实现对外围模块的驱动，能在既保证稳定性的同时保证代码的可转移性，即使更换平台或者加入新的功能，只需将新任务的代码加入就能完成。系统软件包括对摄像头模块、无线模块、陀螺仪与加速度传感器的驱动，PWM的输出，两个无线模块之间的通讯等。

如图2和图3所示，采用由6个舵机构成的具有人体生理结构特征的机械手，采用两个主控系统进行数据的采集和机械手的控制，主控系统B14负责姿态数据的采集，与5个陀螺仪与加速度传感器、无线传输模块以及显示器连接；主控系统A6负责终端数据处理及发射，与摄像头模块、无线模块、舵机驱动模块和机械手连接。

在图2所示的陀螺仪与加速度传感器安装位置图中，第一陀螺仪与加速度传感器1放置在手肘上侧大臂内侧部位，采集大臂的姿态信息，与第二陀螺仪与加速度传感器2关联获得手肘的姿态信息。第二陀螺仪与加速度传感器放置在手肘下小臂内侧部位，采集小臂的姿态信息，第三陀螺仪与加速度传感器3放置在手腕背面，获取手腕转动信息。第四陀螺仪与加速度传感器4关联，获得手腕弯曲信息。第四陀螺仪与加速度传感器4放置在手背，与第三陀螺仪与加速度传感器3共同获得手腕弯曲信息，与第五陀螺仪与加速度传感器5关联获取手掌张合信息。第五陀螺仪与加速度传感器5放置在手指上，与第四陀螺仪与加速度传感器4关联获得手张合信息。

将图2所示的陀螺仪与加速度传感器连接到佩戴在身上的主控系统A6，对数据进行融合处理，并通过无线模块A7将信息发送出去。

人体手臂姿态数据的获取以及解耦和算法：陀螺仪与加速度传感器数据融合可以获得在以地面为参考系的坐标下的yaw、pitch、row三个欧拉角数据，通过将关节两边的传感器角度数据做差比较即可获得人体手臂关节的弯曲角度、旋转角度。如图2中第一陀螺仪与加速度传感器1、第二陀螺仪与加速度传感器2可以获得肘关节处的弯曲角度，第三陀螺仪与加速度传感器3、第四陀螺仪与加速度传感器4可以获得手腕关节处的弯曲角度，第四陀螺仪与加速度传感器4、第五陀螺仪与加速度传感器5可以获得手掌的开合信息，而同时第四陀螺仪与加速度传感器4、第五陀螺仪与加速度传感器5又可以根据yaw、pitch、row角数据监测小臂是否旋转以及旋转的具体角度。获取解耦和之后的角度信息之后，再把它转化成相应的舵机的PWM控制信号。如大臂的往两边扩张与前提的动作可以分别控制第一舵机8和第二舵机9来完成。

在图3所示的示例中，第一舵机8和第二舵机9两个舵机分别对应于人手臂与人身体连接处的两个自由度，第三舵机10对应于人手的肘关节，第四舵机11和第五舵机12分别对应于人小臂弯曲和转动的两个自由度。第六舵机13对应于人手张开与合上的自由度。各个关节通过钢结构相互连接，各个舵机分别对应人体的各个关节。使用主控系统B14读取无线模块B16接收到的由无线模块A7发送的人体姿态信息，并用主控系统B14的舵机驱动模块驱动六路舵机，完成对人体手臂的模仿。主控系统B14通过驱动摄像头15获取机械手实时姿态并通过无线模块B16发送给基站。

如图4、5所示，机械手的实际控制者将可穿戴机械手控制装置正确穿戴在手臂上，开启终端与控制端的电源，传然后终端和控制端主控系统开始正常工作：人手臂端陀螺仪与加速度传感器正常工作，开始传送姿态信号给主控系统，主控系统进行数据的分辨、解耦和处理后通过无线信道输给终端，终端摄像头模块传回机械手所在位置的实时画面，终端与控制端控制系统之间通过无线信道来回传送摄像头15图像以及控制信号数据，控制者通过观察终端摄像头模块传回来并且显示在控制端显示屏上的画面，了解机械手所处的实际的位置与外界的环境，通过摆动手臂做出某种姿势来使得机械手做出相同的姿势，完成工作任务。

Claims (10)

1.一种穿戴式体感控制机械手，其特征在于，包括：

机械手，每个关节都装有舵机进行精确的角度控制；

无线终端数据处理及发射系统，用于机械手数据的无线传输、处理和驱动控制；

人体手臂姿态数据采集系统，用于采集人体关节处的角度信息；

手臂控制端数据处理及发射系统，用于手臂控制端数据的无线传输和处理；

机械手和无线终端数据处理及发射系统相连，人体手臂姿态数据采集系统与手臂控制端数据处理及发射系统相连，手臂控制端数据处理及发射系统与无线终端数据处理及发射系统通过无线信号进行数据通讯。

2.根据权利要求1所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，所述无线终端数据处理及发射系统，包括主控系统B以及与主控系统B连接的摄像头模块、无线模块B和舵机驱动模块；主控系统B用于驱动无线模块与摄像头模块，并对传输的数据进行处理，转化成PWM控制信号；摄像头模块用于捕捉机械手的实时运行数据；无线模块B用于接收远程传输过来的人体手臂姿态数据，以及进行机械手实时画面的传输；舵机驱动模块对舵机输出PWM控制信号，驱动机械手上的舵机。

3.根据权利要求2所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，所述摄像头模块安装在机械手的前方。

4.根据权利要求1所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，所述手臂控制端数据处理及发射系统，包括无线模块A以及主控系统A，主控系统A用于对人体手臂姿态数据采集系统采集的数据进行数据的耦合处理，无线模块A用于将处理的数据传送给无线终端数据处理及发射系统。

5.根据权利要求1所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，所述人体手臂姿态数据采集系统包括传感器模块，由陀螺仪与加速度传感器组成，负责采集人体关节处的角度信息，然后传送给手臂控制端数据处理及发射系统。

6.根据权利要求5所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，所述人体手臂姿态数据采集系统采集人体关节处的角度信息的步骤为：所述陀螺仪与加速度传感器数据融合，获得在以地面为参考系的坐标下的yaw、pitch、row三个欧拉角数据，通过将关节两边的陀螺仪与加速度传感器角度数据做差比较，获得人体手臂关节的弯曲角度、旋转角度。

7.根据权利要求5所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，所述人体手臂姿态数据采集系统中陀螺仪与加速度传感器分别安装在肘关节和手腕关节内侧上下两边1-2cm处以及手指上。

8.根据权利要求1所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，所述机械手由6个舵机构成，舵机分别对应于手臂上肢关节、肘关节、手腕关节以及手的开合自由度，各个关节通过钢结构相互连接。

9.根据权利要求1所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，还包括显示器，用于显示机械手所处的实际位置与外界的环境信息，与主控系统A相连。

10.根据权利要求1所述的穿戴式体感控制机械手，其特征在于，还包括电源模块，用于为各个模块供电。

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