CN106826789A - 一种模块化的遥操作机械臂控制器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种模块化的遥操作机械臂控制器，其包括至少一个转动模块和至少一个摆动模块，转动模块又包括转动端件和转动根件，该转动端件与该转动根件相互可旋转连接，并且连接处安装有角度传感器，摆动模块又包括摆动端件和摆动根件，该摆动端件与该摆动根件相互可摆动连接，连接处安装有角度传感器。该模块化的遥操作机械臂控制器结构简单且灵活，在设计支持范围内，可以搭建任意自由度和连接顺序的串联型动作传感机械臂，当需要控制不同自由度数量、不同运动副连接顺序的不同种类机械臂时，可以通过连接若干已有模块、调整各个模块的限位机构，来构成适用不同机器人机械臂的控制器。

Description

一种模块化的遥操作机械臂控制器

技术领域

本发明的实施例涉及机器人控制器，具体而言，涉及一种模块化的遥操作机械臂控制器。

背景技术

在机器人技术的应用过程中，让机械臂独立决策并执行复杂的动作、乃至于多个机械臂的工作协作，仍然是一个难题。因此在很多情况下，由传感器捕捉人类动作，再由机器人机械臂重复出来，即以人的动作控制机器人的过程，仍然具有广阔的应用场景。此种模式称为主从式遥操作。

在捕捉人类动作的传感器及设备中，较常见的一种是由角度传感机构串联构成的传感机械臂(主机械臂)。这种传感机械臂通常被绑定在控制人的手臂上，随着控制人的动作，向被控制机械臂不断传送控制人各个关节(自由度)的角度值；或者由控制人抓持一端，牵引传感机械臂到达目标姿态。但是现有该类传感机械臂结构具有以下局限性：

1、自由度固定，不能根据需求增减自由度。各个关节种类连接顺序固定，不能根据需求调整连接顺序。因此其无法灵活地控制不同结构的机器人机械臂。

2、动作错位后无法进行及时反馈。或需要增加机械结构才能够进行反馈。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种模块化的遥操作机械臂控制器。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种模块化的遥操作机械臂控制器，包括至少一个转动模块和至少一个摆动模块，转动模块又包括转动端件和转动根件，该转动端件与该转动根件相互可旋转连接，并且连接处安装有角度传感器，摆动模块又包括摆动端件和摆动根件，该摆动端件与该摆动根件相互可摆动连接，连接处安装有角度传感器。

此外，本发明还提供如下附属技术方案：

优选地，转动端件的其中一端设置有第一凸接头，另一端与所述转动根件连接、且该端的侧壁设置有转动限位杆；所述转动根件的其中一端与转动端件连接、且该端的侧壁设置有可与转动限位杆相互抵靠的转动挡杆，另一端设置有第一凹接口。

优选地，摆动端件的其中一端设置有第二凸接头，另一端设置有第一连接头，该第一连接头上设置有摆动限位杆；所述摆动根部的其中一端设置有第二凹接口，另一端设置有与第一连接头相互连接的第二连接头、以及可与摆动限位杆相互抵靠的摆动挡杆。

优选地，转动模块和摆动模块上分别安装有发光元件；当被控制机械臂的实际位置与所述机械臂控制器的指令发生错位时，相应部位的发光元件受控启动，给予光反馈。

优选地，转动模块和摆动模块上分别安装有振动元件；当被控制机械臂的实际位置与所述机械臂控制器的指令发生错位时，相应部位的振动元件受控启动，给予振动反馈。

优选地，转动模块和摆动模块上分别安装有发声元件；当被控制机械臂的实际位置与所述机械臂控制器的指令发生错位时，相应部位的发声元件受控启动，给予声音反馈。

优选地，模块化的遥操作机械臂控制器还包括直线延长模块，该直线延长模块包括呈直形，具有两个相互平行的端面，其中一端面设置有第三凸接头，另一端面设置有第三凹接口。

优选地，模块化的遥操作机械臂控制器还包括转向模块，该转向模块包括呈弧形弯曲形，具有两个相互垂直的端面，其中一端面设置有第四凸接头，另一端面设置有第四凹接口。

相比于现有技术，本发明的优势在于：1、结构简单且灵活，在设计支持范围内，可以搭建任意自由度和连接顺序的串联型动作传感机械臂，当需要控制不同自由度数量、不同运动副连接顺序的不同种类机械臂时，可以通过连接若干已有模块、调整各个模块的限位机构，来构成适用不同机器人机械臂的控制器。2、具有低成本的灯光信号、振动信号、及声音信号反馈结构，向控制人清晰传递错位信息，并且不增加额外的机械结构和过高的成本。当执行机械臂的实际位置与机械臂控制器的指令发生错位时，机械臂控制器发出灯光信号进行反馈，指示出错位的方向和错位程度，另外通过发声装置、振动装置产生额外的声音、振动信号来加强对控制人的提示注意效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，并非对本发明的限制。

图1是本发明实施例的模块化的遥操作机械臂控制器的结构示意图。

图2是转动模块的立体图；本图未安装发光元件。

图3是图2的爆炸图。

图4是执行机械臂发生错位时，转动模块的灯光反馈示意图，图中颜色较深的灯视为发光状态。

图5是摆动模块的立体图。

图6是图5的爆炸图。

图7是执行机械臂发生错位时，摆动模块的灯光反馈示意图，图中颜色较深的灯视为发光状态。

图8是直线延长模块立体图。

图9是转向模块立体图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步非限制性的详细描述。

图1所示的模块化的遥操作机械臂控制器包括有握持器100、转动模块101、直线延长模块102、摆动模块103、转向模块104、以及固定基体105；其中的转动模块和摆动模块起到关节活动作用，为主要部件；直线延长模块和转向模块分别起到延长作用和调整方向作用，为辅助部件。本发明的遥操作机械臂控制器可远程控制执行机械臂运动，控制原理大致为：由角度传感器检测本遥操作机械臂控制器转动模块和摆动模块的运动角度值，然后将角度值信号远程发送到执行机械臂，执行机械臂的主控制器根据角度值控制相应关节的伺服电机转动对应角度，即完成控制及执行动作。

如图2和图3所示，转动模块主要包括转动端件1和转动根件2。转动端件1的主体呈圆柱形；在该主体其中一端的端面中间设置有第一凸接头3，该第一凸接头3呈方块状，另一端的端面中间设置有连接孔(图未示)，同时该端外侧壁(内侧壁同样适用)上设置有两根转动限位杆4，该两根转动限位杆4往外径向延伸。转动根件2的主体呈圆柱形；在该主体其中一端的端面中间设置有收容槽5，同时该端外侧壁(内侧壁同样适用)上设置有转动挡杆6，该转动挡杆6轴向往上延伸，另一端的端面中间设置第一凹接口6，该第一凹接口6凹入主体内，并且呈方块状。

转动端件1与转动根件2相互可旋转连接，连接处安装有第一角度传感器7。具体地，第一角度传感器7的头部固定安装在转动根件2的收容槽5内，第一角度传感器7的传动杆插入转动端件1的连接孔内。一旦转动端件1或转动根件2发生转动，第一角度传感器7即可测出转动角度。在转动到一定角度后，两根转动限位杆4的其中一根会与转动挡杆6发生抵靠，限制转动幅度。本实施例，两根转动限位杆4的位置可调，其绝对位置限制了关节运动的极限点，它们之间的圆弧长度决定了关节运动的角度幅度范围。

如图4所示，转动模块上安装有若干发光元件30作为主要错位反馈提示元件。发光元件30安装在转动端件1的表面，环绕整个端件，以使控制人无论从哪个角度都易于观察到，不易被遮挡。发光元件30分为2组，呈相反的箭头形状，分别指示2个解除错位方向。如图5例，转动模块在顺时针旋转方向发生了错位时，点亮向右指示灯光，提示用户将控制器转动模块端件向逆时针方向旋转，即可解除错位状态。发光元件30的点亮方式为闪亮，错位程度越大，则灯光闪亮越频繁，对控制人的提示效果也更强。转动模块上还安装发声元件(图未示)和振动元件(图未示)，发生错位时，发声元件发出警报，振动元件发出振动，多种形式进行错位反馈。

见图5和图6，摆动模块主要包括摆动端件11和摆动根件12。摆动端件11的主体呈圆柱形；在该主体其中一端的端面中间设置有第二凸接头13，该第二凸接头13呈方块状，另一端的端面设置有第一连接头14，该第一连接头14的下方设置两根摆动限位杆15。摆动根件12的主体呈圆柱形；在该主体其中一端的端面中间设置有第二凹接口(图未示)，另一端的端面设置第二连接头17和摆动挡杆18。第一连接头14和第二连接头17通过第二角度传感器19相互活动连接。

摆动端件11和摆动根件12以第二角度传感器19为中轴进行摆动，但是在摆动到一定角度后，摆动限位杆15和摆动挡杆18可发生抵靠，从而限制摆动幅度。本实施例，两根摆动限位杆15的位置可调，其绝对位置限制了关节运动的极限点，它们之间的圆弧长度决定了关节运动的角度幅度范围。

如图7所示，摆动模块上同样安装有发光元件31作为主要错位反馈提示元件。发光元件31安装在摆动端件11的表面，环绕整个端件，以使控制人无论从哪个角度都易于观察到，不易被遮挡。发光元件31分为2组，呈相反的箭头形状，分别指示2个解除错位方向。如图8例，执行机械臂最终执行位置在控制器模块右侧，即为发生错位。此时，点亮向右指示灯光，提示用户将控制器摆动模块向右移动，即可解除错位状态。灯光点亮方式为闪亮，错位越大越大，则灯光闪亮越频繁，对控制人的提示效果也更强。摆动模块上同样还安装发声元件(图未示)和振动元件(图未示)，发生错位是，发声元件发出警报，振动元件发出振动，多种形式进行错位反馈。

为延长转动模块和摆动模块的长度、调整其在三维空间中的方向，本实施例还提供了直线延长模块和转向模块。见图8，直线延长模块包括呈直线型的主体部30，在该主体部30的其中一端设置有第三凸接头31，另一端设置有第三凹接口32。见图9，转向模块包括呈弧形弯曲的主体部40，在该主体部40的其中一端设置有第四凸接头41，另一端设置有第四凹接口42。本实施例的所有凸接头的尺寸均与凹接口的尺寸匹配，连接时，凸接头插入凹接口内。

综上所述，本发明的模块化的遥操作机械臂控制器结构简单且灵活，在设计支持范围内，可以搭建任意自由度和方向的串联型动作传感机械臂；同时具有低成本的振动、灯光、声音反馈信号结构，向控制人清晰传递错位信息，并且不增加额外的机械结构和过高的成本。

本发明的遥操作机械臂控制器判断执行机械臂错位的大致原理为：机械臂控制器与执行机械臂的运动方式相同(指连接方式、连接顺序、运动副类型、运动范围)，因此控制器机械臂只要周期性(周期通常为每秒10-50次)采集自己的姿态，即每个运动副(关节)的转动或摆动角度，发送给被控制机械臂，被控制机械臂就应实现和控制器机械臂相同的运动。另一方面，控制器机械臂和被控制机械臂是两个相互独立的机械结构而不是一个，由于被阻挡、动力不足等客观原因，被控制机械臂执行的结果可能与控制器指令并不一致。因此，被控制机械臂也周期性地采集自己的姿态信息，发回给控制器，进行比较。假设在同一个参考时间体系中，控制器发出指令信号的时刻为t1，到达被控制机械臂的时间为t2。指令到达后立刻由被控制机械臂执行，最迟到t3应执行完成(t3、t2之间间隔为可调整的经验值)。被控制机械臂采集t3时刻自己的姿态数据，发还到控制器，到达时间为t4。此时，控制器将自己t1发出的指令与t4收到的反馈数据进行比较，考虑误差后，如果两者不一致，即可判断执行出现了错位。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模块化的遥操作机械臂控制器，其特征在于：其包括至少一个转动模块和至少一个摆动模块，转动模块又包括转动端件和转动根件，该转动端件与该转动根件相互可旋转连接，并且连接处安装有角度传感器，摆动模块又包括摆动端件和摆动根件，该摆动端件与该摆动根件相互可摆动连接，连接处安装有角度传感器。

2.根据权利要求1所述的模块化的遥操作机械臂控制器，其特征在于：所述转动端件的其中一端设置有第一凸接头，另一端与所述转动根件连接、且该端的侧壁设置有转动限位杆；所述转动根件的其中一端与转动端件连接、且该端的侧壁设置有可与转动限位杆相互抵靠的转动挡杆，另一端设置有第一凹接口。

3.根据权利要求1所述的模块化的遥操作机械臂控制器，其特征在于：所述摆动端件的其中一端设置有第二凸接头，另一端设置有第一连接头，该第一连接头上设置有摆动限位杆；所述摆动根部的其中一端设置有第二凹接口，另一端设置有与第一连接头相互连接的第二连接头、以及可与摆动限位杆相互抵靠的摆动挡杆。

4.根据权利要求1所述的模块化的遥操作机械臂控制器，其特征在于：所述转动模块和所述摆动模块上分别安装有发光元件；当被控制机械臂的实际位置与所述机械臂控制器的指令发生错位时，相应部位的发光元件受控启动，给予光反馈。

5.根据权利要求1所述的模块化的遥操作机械臂控制器，其特征在于：所述转动模块和所述摆动模块上分别安装有振动元件；当被控制机械臂的实际位置与所述机械臂控制器的指令发生错位时，相应部位的振动元件受控启动，给予振动反馈。

6.根据权利要求1所述的模块化的遥操作机械臂控制器，其特征在于：所述转动模块和所述摆动模块上分别安装有发声元件；当被控制机械臂的实际位置与所述机械臂控制器的指令发生错位时，相应部位的发声元件受控启动，给予声音反馈。

7.根据权利要求1所述的模块化的遥操作机械臂控制器，其特征在于：其还包括直线延长模块，该直线延长模块包括呈直形，具有两个相互平行的端面，其中一端面设置有第三凸接头，另一端面设置有第三凹接口。

8.根据权利要求1所述的模块化的遥操作机械臂控制器，其特征在于：其还包括转向模块，该转向模块包括呈弧形弯曲形，具有两个相互垂直的端面，其中一端面设置有第四凸接头，另一端面设置有第四凹接口。