CN104227733A - 人体感应机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型的人体感应机械臂，属于自动化机械控制装置领域，该人体感应机械臂包括机械臂套件、机械手套件和传感组件；角速度传感器、加速度传感器将测出数据均由主控一通过无线装置发送到主控二，主控二通过控制相应的舵机完成同步动作。该人体感应机械臂克服现有机械臂灵活性差，操作精度低的问题，能够在恶劣的环境下完成高精度任务，在科研，医疗，救灾领域有着广泛的应用前景。

Description

人体感应机械臂

技术领域

    本发明涉及一种人体感应机械臂，属于自动化机械装置应用领域。

背景技术

机械手臂是目前机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，进行相关作业。

但是，通过研究发现，传统机器人只能按照预定程序做一些简单的机械式运动灵活性，适应性远远无法满足现代社会各方面的需求，而在智能机器人代表的新科技领域短时间内又很难有较大的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型自动化机械臂，解决克服了现有机械臂在操作方面精度低、灵活性差等方面的缺点，最大可能地把人的活动思想在机械臂上精确的体现出来，减少机械臂的误操作。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：

一种人体感应机械臂，包括机械臂套件、机械手套件和传感组件；

所述机械臂套件包括依次活动连接的肱骨件、尺骨件、腕骨件以及关节之间的连接套件；在机械臂套件的肱骨、尺骨、腕骨处设置加速度传感器，在机械臂套件的肩关节、肘关节、桡腕关节、腕掌关节、指关节分别设置角速度传感器；

所述机械手套件包括掌骨件和活动连接在掌骨件上依次设置的拇指件、食指件、中指件、无名指件、小指件，掌骨件形成有虎口，拇指件和食指件分设在虎口的两侧；每个指件包括依次活动连接的近节指骨件、中节指骨件、远节指骨件；掌骨件、近节指骨件、中节指骨件、远节指骨件分别设有加速度传感器，掌骨件、近节指骨件、中节指骨件、远节指骨件的活动连接处设有角速度传感器；

角速度传感器测出角速度的值，该值包括方向与大小，加速度传感器测出加速度的值，该值包括方向与大小，角速度传感器、加速度传感器将测出数据均由主控一通过无线装置发送到主控二，主控二通过控制相应的舵机完成同步动作。

进一步地，通过建立系统模型，确定滤波量、预测量、测量量，预测量为陀螺仪测量的数据，测量量为加速度传感器测量的数据；运用卡尔曼滤波算法通过递归运算，消除陀螺仪漂移中的随机噪声。

进一步地，由姿态解算器配合卡尔曼滤波模拟出机械臂套件、机械手套件的当前姿态。 

进一步地，角速度传感器、加速度传感器通过控制器连接仿人机械臂，该仿人机械臂按照1:1的比例尺寸制作大小为155*65mm，仿人机械臂的腕关节是由四个舵机构成，每个机械手指有2个自由度，仿人机械臂采用铝制合金制成，在关节转动部分设置轴承，关节转动方面采用SR04的全金属齿轮舵机。

进一步地，机械臂套件、机械手套件采用不易变形且质轻的钛合金或铝合金；机械臂套件的框架仿照人手臂大小，有4个自由度，在每个钢制关节处放上六轴的传感器作为其传输源载体。

本发明的有益效果是：通过在人体机械套架上安装六轴传感器测量人体手臂26个自由度的加速度与角速度。由姿态解算器，配合卡尔曼滤波能够在动态的环境下准确的模拟出模块当前姿态，姿态测量精度达到0.01度，稳定度极高，采集的数据由主控一通过无线装置发送到主控二，主控二通过控制相应的舵机完成同步动作。此外通过机械臂机械手的分立式拆装，组合提高了灵活性与实用性，此外机械臂与机械手套件通过人体进行相关动作传送姿态信息给受控机械手臂通过肉眼矫正，减少因变形与磨损带来的灵活性差的问题，能够在恶劣的环境下完成高精度任务，在科研，医疗，救灾领域有着广泛的应用前景。

附图说明

    图1是本发明实施例的结构示意图；

图2为实施例中的机械手套件的手背方向结构示意图；

图3为实施例中的机械手套件的左侧视图；

图4为实施例中的机械手套件的立体结构示意图；

图5为实施例中的机械手套件的手心方向结构示意图；

图6为实施例中的机械臂套件的结构示意图；

其中：1-肱骨件，2-尺骨件，3-腕骨件，4-掌骨件，5-拇指件，6-食指件，7-中指件，8-无名指件，9-小指件，10-近节指骨件，11-中节指骨件，12-远节指骨件，13-角速度传感器，14-加速度传感器。 

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例

基于角速度传感器13与加速度传感器14的机械臂，角速度传感器13放在机械手外形框架上，机械手外形框架穿在人手臂上，该角速度传感器13用以感应控制端，即人手臂，的姿态变化，包括角度与加速度，再返回放人机械臂以做同等工作。

实施例由于是在人体手臂事先套上的人体医疗机械臂的关节处，分别放上加速度与角速度传感器13，读取人体机械臂的姿态变化，通过两块控制器与无线模块实现机械臂的同等姿态变化，克服了现有体感传感器的姿态调节精度不高，无法进行微处理，生产成本较高等问题，在科研，医疗，救灾领域有着广泛的应用前景。

人体感应机械臂，包括机械臂套件、机械手套件和传感组件。

机械臂套件包括依次活动连接的肱骨件1、尺骨件2、腕骨件3以及关节之间的连接套件；在机械臂套件的肱骨、尺骨、腕骨处设置加速度传感器14，在机械臂套件的肩关节、肘关节、桡腕关节、腕掌关节、指关节分别设置角速度传感器13。

机械手套件包括掌骨件4和活动连接在掌骨件4上依次设置的拇指件5、食指件6、中指件7、无名指件8、小指件9，掌骨件4形成有虎口，拇指件5和食指件6分设在虎口的两侧；每个指件包括依次活动连接的近节指骨件10、中节指骨件11、远节指骨件12；掌骨件4、近节指骨件10、中节指骨件11、远节指骨件12分别设有加速度传感器14，掌骨件4、近节指骨件10、中节指骨件11、远节指骨件12的活动连接处设有角速度传感器13。

首先人体手臂需穿上具质轻且不易变形的铝合金骨节包括肱骨、尺骨、腕骨骨节连接处采用具有良好塑性与弹性的不锈钢或青铜材料制成的机械臂套件，人手也需带上具塑性与弹性的机械手套件。在人体机械臂套架处安装六轴传感器，分别通过在肱骨、尺骨、腕骨处的传感器测出加速度的值，包括方向与大小，通过在肩关节、肘关节、桡腕关节、腕掌关节、指关节的传感器测出角速度的值，包括方向与大小，即在人体机械套架上安装六轴传感器测量人体手臂26个自由度的加速度与角速度。

然后，通过姿态解算器，配合卡尔曼滤波能够在动态的环境下准确输出模块当前的姿态，姿态测量精度0.01度，稳定度极高，上述数据由主控一ARM通过无线装置发送到主控二ARM，主控二通过控制相应的舵机完成同步动作。

仿人机械手按照1:1的比例尺寸制作大小为155*65mm，该机械手的腕关节是由四个舵机构成，每个机械手指由2个自由度，本设计外形可以最大程度的模拟人手，采用铝制合金质量轻，硬度高。在关节转动部分特地添加了轴承，尺寸适中，滑顺度稳定可靠。

机械臂套件的框架仿照人手臂大小，有4个自由度，在每个钢制关节处放上六轴的传感器作为其传输源载体。

新型自动化机械臂，通过在人体机械套架上安装六轴传感器分别测量出人体手臂26个自由度的加速度与角速度。建立六轴加速度陀螺仪随机时序模型，一个二维模型。通过建立系统模型，确定滤波量，确定预测量，确定测量量，这里的预测量就是陀螺仪测量的数据，测量量就是加速度传感器14测量的数据。运用卡尔曼滤波算法通过5个线性方程的递归运算，消除陀螺仪漂移中的随机噪声，提高精度。

在对滤波后的数据进行Matlab分析后，根据系统的要求制定了姿态解算器系统的整体设计方案，提出硬件与软件配合的设计方案，硬件电路包括MCU电路、电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG电路、UART电路、TOP板等；软件部分为了达到姿态解算器的要求，在软件CSS开发环境中用C语言编写了系统主程序，初始化程序，中断程序，数据处理程序等等。

通过该姿态解算器拟合采集波形，解决克服了现有机械臂在操作方面精度低、灵活性差等方面的缺点，最大可能地把人的活动思想在机械臂上精确的体现出来，减少机械臂的误操作，应用于科研，医疗等方面。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种人体感应机械臂，其特征在于：包括机械臂套件、机械手套件和传感组件；

所述机械臂套件包括依次活动连接的肱骨件、尺骨件、腕骨件以及关节之间的连接套件；在机械臂套件的肱骨、尺骨、腕骨处设置加速度传感器，在机械臂套件的肩关节、肘关节、桡腕关节、腕掌关节、指关节分别设置角速度传感器；

所述机械手套件包括掌骨件和活动连接在掌骨件上依次设置的拇指件、食指件、中指件、无名指件、小指件，掌骨件形成有虎口，拇指件和食指件分设在虎口的两侧；每个指件包括依次活动连接的近节指骨件、中节指骨件、远节指骨件；掌骨件、近节指骨件、中节指骨件、远节指骨件分别设有加速度传感器，掌骨件、近节指骨件、中节指骨件、远节指骨件的活动连接处设有角速度传感器；

角速度传感器测出角速度的值，该值包括方向与大小，加速度传感器测出加速度的值，该值包括方向与大小，角速度传感器、加速度传感器将测出数据均由主控一通过无线装置发送到主控二，主控二通过控制相应的舵机完成同步动作。

2.如权利要求1所述的人体感应机械臂，其特征在于：通过建立系统模型，确定滤波量、预测量、测量量，预测量为陀螺仪测量的数据，测量量为加速度传感器测量的数据；运用卡尔曼滤波算法通过递归运算，消除陀螺仪漂移中的随机噪声。

3.如权利要求2所述的人体感应机械臂，其特征在于：由姿态解算器配合卡尔曼滤波模拟出机械臂套件、机械手套件的当前姿态。

4.如权利要求1-3任一所述人体感应机械臂，其特征在于：角速度传感器、加速度传感器通过控制器连接仿人机械臂，该仿人机械臂按照1:1的比例尺寸制作大小为155*65mm，仿人机械臂的腕关节是由四个舵机构成，每个机械手指有2个自由度，仿人机械臂采用铝制合金制成，在关节转动部分设置轴承，关节转动方面采用SR04的全金属齿轮舵机。

5.如权利要求4所述人体感应机械臂，其特征在于：机械臂套件、机械手套件采用不易变形且质轻的钛合金或铝合金；机械臂套件的框架仿照人手臂大小，有4个自由度，在每个钢制关节处放上六轴的传感器作为其传输源载体。