CN109202938B - 一种喂食机械臂及其喂食方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于协作机械臂技术领域，公开了一种喂食机械臂及其喂食方法，喂食机械臂包括底座、机械臂主体和喂食装置，所述机械臂主体的底端与底座转动连接，喂食装置设于机械臂主体的顶端；具体应用时，机械臂能够从指定的夹取坐标位置取食，并送往指定的喂食坐标位置供使用者食用。本发明通过电流传感器检测舵机中的电流变化，对取食过程进行调控，能够在喂食装置发生触碰事件后控制舵机及时悬停，自动化程度高，能够与多种餐具配合使用；通过使用者对喂食装置施加力的作用，自动识别使用者的意图，实现再次取食，提高了操控性，更加智能化，降低了使用者的操控难度。因此，本发明适合推广使用。

Description

一种喂食机械臂及其喂食方法

技术领域

本发明属于协作机械臂技术领域，具体涉及一种喂食机械臂及其喂食方法。

背景技术

机械臂是一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性,已在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用；随着机械臂的深入研发，其结构和精度均得到极大的改善，已不仅仅在目前的领域应用，还拓展至诸多直接辅助人进行操作的技术领域，甚至能部分代替人的工作，在健康维护领域，已经有用于喂食的机械臂投入运用，为部分丧失行为能力或完全丧失行为能力的人员辅助喂食，减少护理人员的劳动强度，也能增加护理人员的工作半径，使护理人员能同时照看更多的人。

用于喂食的机械臂主要包括两大类，一类是利用通用型协作机械臂，对其进行定制化编程开发，使其实现喂食功能。然而通用型协作机械臂成本极高，一般在10到20万人民币左右，用如此昂贵的机械臂来实现喂饭这样的日常功能是不合理的，因此此类机械臂只停留在一些实验室或者演示项目中。

另一类是为喂食专门研发的喂食机械臂，这类机械臂在市场上还非常缺乏，也存在诸多不足。例如：几乎有所的机械臂只能使用单一的勺子舀食物，难以实现顺利舀取，也无法将餐盘中的食物舀尽，造成食物浪费；此类机械臂体积庞大，难以控制，部分机械臂通过设置单独的操纵杆，由用餐者通过下巴进行控制选取食物，但并不理想；此类喂食机械臂，大多都需要使用配套的一体餐盘，这样的目的是让夹取食物的三维坐标完全可控，但是这也带来了严重的限制，餐盘格子数量决定了菜品数量；餐盘容积限制了食物总量等。

因此，在本领域为了将喂食机械臂的喂食顺畅度及操控便捷度等进一步提高，需要提出更为合理的技术方案，以更好地解决当下的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种喂食机械臂，旨在改进喂食机械臂的喂食装置，使其能够顺利获取食物，提高喂食的效率并减少食物浪费。

为了实现上述效果，本发明所采用的技术方案为：

一种喂食机械臂，包括底座、机械臂主体和喂食装置，所述机械臂主体的底端与底座转动连接，喂食装置设于机械臂主体的顶端。具体地说，所述的底座内设置有控制板和底部舵机，底部舵机用于驱动机械臂水平转动；所述的机械臂主体包括多段依次连接的机臂，相邻机臂由机臂舵机驱动后在竖直方向相对转动，底部舵机和机臂舵机均电连接至控制板，且每个舵机与控制板之间均连接有电流传感器；所述的喂食装置包括相互扣合的下部勺体和上部勺体，所述下部勺体固定连接至机械臂，所述上部勺体由喂食舵机驱动后在竖直方向转动，实现喂食装置的开启和关闭。

本发明通过底座和机械臂主体驱动喂食装置，底座实现水平面上的驱动，机械臂主体实现竖直面上的驱动，喂食装置从指定夹取位置获取食物后送至指定喂食位置，方便使用者用餐。

底座固定整个装置，保证整个装置的稳定连接和可靠运行，故对上述技术方案进行优化，所述的底座包括底板和底盖，底盖扣合在底板上，且底盖的上表面设置有轴孔，底部舵机的输出轴竖直穿出轴孔。

作为优选的方案，所述底板可连接固定在桌面或其他某指定位置，底板上预留连接孔，利用连接件进行固定。

进一步的，对上述技术方案进行优化，以实现机械臂主体在竖直面上的驱动，所述的机械臂主体包括第一机臂、第二机臂、第三机臂和第四机臂，所述的机臂舵机包括第一舵机、第二舵机和第三舵机；所述第一机臂位于底盖上方并跟随底部舵机的输出轴转动；所述第一舵机水平设于第一机臂内，第一舵机的输出轴与第二机臂的下端连接并带动第二机臂转动；第二机臂的上端设有第三机臂，所述第二舵机水平设于第三机臂的下端，第二舵机的输出轴与第二机臂的上端连接；所述第三舵机水平设于第三机臂的上端，第三舵机的输出轴与第四机臂的下端连接并带动第四机臂转动。

再进一步，对上述技术方案继续优化并采用优选的方案，所述的第二机臂由两根平行设置的侧臂和设于两侧臂之间的加强连杆组成，两根侧臂的下端和上端呈夹持状分别与第一舵机、第二舵机连接。加强连杆可提高第二机臂的强度，将第二机臂以夹持状连接第一舵机和第二舵机，可平衡第二机臂的受力，使得第二机臂在运转过程中平稳性更好。

进一步的，对上述技术方案进行优化，所述的第四机臂包括连接部和动力部，连接部与第三舵机相连，动力部为盒体且内部设置喂食舵机，喂食舵机的输出轴伸出动力部，输出轴带动上部勺体转动。

再进一步，对上述技术方案进行优化，所述的连接部为U形结构，连接部呈夹持状与第三舵机连接。

再进一步，对上述技术方案继续优化，上部勺体与下部勺体的相对转动不为同轴设置，所述的喂食舵机的输出轴上设置有转轮，上部勺体连接在转轮的边缘处。

再进一步，对上述技术方案进行优化，所述的下部勺体采用卡嵌连接、紧固件连接或螺纹连接的方式连接至第四机臂的动力部。这样设置的便于下部勺体的拆卸清洗，方便二次使用。

再进一步，对上述技术方案进行优化，下部勺体均包括勺柄和勺匙，所述勺匙为方形，且勺匙的外侧表面为弧面。方形的勺匙便于贴合餐盘的表面，在夹取食物时更加方便。

再进一步，舵机是一个闭环的整体，只支持PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)占空比信号实现位置单环PID(比例proportion、积分integral、微分differential)控制，并不支持外部扩展编程，因此不能直接通过舵机控制喂食装置；为了实现协作机械臂必备的高级特性，对每一个舵机的控制电路进行改造，拆除了舵机原本的控制芯片，并在所述的控制板上集成STM32系列的芯片，芯片用于根据各个舵机的电路电流变化控制其运行，如此就实现了对舵机的自由控制。

上述内容公开说明了该喂食机械臂的结构组成，本发明还提供一种喂食机械臂的应用及控制方法，旨在通过电流传感器感应舵机的电流变化，从而实现对舵机的自由控制，使得多种喂食指令下发更为简单直接。

本发明公开的该喂食机械臂的喂食方法具体包括如下步骤：

S01：根据餐盘摆放的位置，设定喂食装置的水平面夹取坐标点域，并分别标定为(x_k，y_k)，k∈N且k≠0；同时设定喂食坐标点(a，b，c)，abc均为常数，所述的控制板上设有存储模块，将设定的坐标信息进行存储；

S02：向喂食机械臂发送一个夹取坐标点信号，控制板控制底部舵机和机臂舵机将喂食装置驱动至对应的夹取坐标点，同时控制第三舵机驱动第四机臂，使喂食装置竖直朝向下方；

S03：控制板控制喂食舵机将喂食装置开启，同时控制机臂舵机驱动喂食装置在竖直方向朝下移动，移动过程中第一舵机正向转过角度δ，第二舵机对应反向转过角度δ，同时第三舵机也正向转过角度2δ；喂食装置移动距离Z后触及食物，此时控制板控制喂食舵机将喂食装置关闭以获取食物；

S04：控制板控制底部舵机和机臂舵机将喂食装置驱动至喂食坐标点，同时控制板控制第三舵机将喂食装置切换至水平方向；

S05：控制板控制喂食舵机将喂食装置开启，此时喂食机械臂进入等待状态，等候使用者用餐并等待接收下一个夹取坐标点信号。

以上是控制喂食机械臂进行喂食的常规步骤，更为具体的，在步骤S03中，喂食装置朝下移动至触及食物后，电流传感器检测到其所在机臂舵机电路中的电流值增大时，向控制板发送触及信号，此时控制板控制机臂舵机锁止。该控制过程实现喂食机构在获取食物过程中的悬停，可更加自动和智能地获取食物，提高了食物获取的成功率。

进一步的，喂食装置在竖直朝下运动过程中，机臂舵机的电流随其本身的负载一并发生变化，对上述控制过程进行优化，避免机械臂自身在运动过程中产生的电流变化对触及的判断造成干扰，对未发生触及时机臂电机的电流变化进行滤除，包括如下步骤：

1)使用移动平均法对机臂舵机在连续200T时间内的电流值进行低频滤波处理，得到当前时间段的平均电流值I_longavg；

2)使用移动平均法对机臂舵机在连续50T时间内的电流值进行高频滤波处理，得到当前时间段的实时电流值I_shortavg；

3)赋予一个threshold值，根据|I_shortavg-I_longavg|＞threshold进行判断，若成立则判断为触及食物，若不成立则判断为未触及食物。

通过上述步骤，可对机械臂自身在运动过程中遭遇的负载变化而产生的电流波动进行滤除，使得该电流波动被视为正常的电流变化反应，而不至于被误判为发生触及事件。通过电流的滤除处理，可提高触及事件的识别正确率，提高了喂食装置的取食成功率。

进一步的，在使用者希望有选择的享用食物时，需要从点域中选择对应的坐标点，并发送夹取坐标信号给机械臂。作为一种便于实现的优选方案，针对完全丧失行为能力的使用者，所述的喂食机械臂还包括配合使用的脑波传感器，一般脑波传感器采用市面上常用的型号即可，可采用头戴式脑波传感器或者片状脑波传感器，其用于与控制板通信连接；则步骤S02中向喂食机械臂发送夹取坐标点信号的方式包括如下细分步骤：

1)当喂食装置未停留在喂食坐标点时，通过脑波处理器向控制器发送信号，控制器控制机械臂将喂食装置驱动至喂食坐标点并进入等待状态；若喂食装置位于喂食坐标点并已经处于等待状态，则直接进入2)；

2)使用者在竖直平面内对喂食装置施加上、下、左或右方向的作用力，发出的夹取坐标信号分别与四个餐盘所在的夹取坐标对应；控制板根据下列关系式计算出底部舵机和机臂舵机的负载力矩：

Q＝J(q)^T×W，其中，W为喂食装置受到的力矢量，Q为对应舵机所受的力矩大小，q为机械臂处在等待状态下对应舵机的转轴锁止角度，J(q)是该角度下，喂食装置的位置矢量与对应舵机的转轴锁止角度的偏微分矩阵；

且

其中，dp是机械臂末端夹具三维坐标的微分；dq是机械臂每个舵机输出轴转动角度的微分；

利用上述关系式得出在上、下、左和右方向上对应的力矩矢量Q(i)，i＝1～4；

3)使用移动平均法对机臂舵机在连续500T时间内的电流值进行低频滤波处理，得到当前时间段的平均电流值I'_longavg；同时使用移动平均法对机臂舵机在连续50T时间内的电流值进行高频滤波处理，得到当前时间段的实时电流值 I'_shortavg；

4)赋予一个threshold’值，根据

进行判断，若成立则判断为施加对应力矩，控制板将喂食装置驱动至该力矩对应的夹取坐标点；若不成立则判断为未施加对应力矩。

通过上述步骤，可实现使用者自行选择需要进餐的食物，并由机械臂自行判断识别接收到的信号，完成使用者下达的命令。上述方式使得使用者下达命令的方式更为简单直接，只要能够提高自身的专注度，即能触发机械臂将喂食装置驱动至等待状态；同时，即使是完全丧失行为能力的人，只要能够做到配合喂食装置将食物含入嘴中，就能轻松实现信号的发送；提高了喂食机械臂的操作性；在这种模式下，餐盘内的夹取坐标点数量至多为四。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明将喂食装置设置为包括上部勺体和下部勺体，利用上部勺体和下部勺体相互扣合的方式夹取食物，取食的成功率更高，喂食机械臂的应用范围也更加广泛。

2.本发明通过对舵机进行改造，将舵机自身的芯片去除，利用外接的芯片控制舵机的运转从而实现开环控制，成本低廉，但控制精度高，效果好。

3.本发明通过电流传感器检测舵机中的电流变化，对取食过程进行调控，能够在喂食装置发生触碰事件后控制舵机及时悬停，自动化程度高，能够与多种餐具配合使用。

4.本发明通过使用者对喂食装置施加力的作用，自动识别使用者的意图，实现再次取食，提高了操控性，更加智能化，降低了使用者的操控难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的分解结构示意图。

图3是底座的整体结构示意图。

图4是第二机臂的组成结构示意图。

图5是第三机臂的组成结构示意图。

图6是第四机臂的组成结构示意图。

图7是上部勺体的结构示意图。

图8是下部勺体的结构示意图。

图9是喂食机械臂的整体应用过程示意图。

图10是机械臂判断喂食装置触及食物的过程示意图。

图11是向机械臂发送夹取坐标信号的过程示意图。

图中：1-底板；2-底盖；3-第一机臂；4-第二机臂；401-侧臂；402-加强连杆；5-第三机臂；6-第四机臂；601-连接部；602-动力部；7-喂食装置；701- 上部勺体；702-下部勺体；8-底部舵机；9-转轮。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例公开了一种喂食机械臂，包括底座、机械臂主体和喂食装置7，所述机械臂主体的底端与底座转动连接，喂食装置设于机械臂主体的顶端。具体地说，所述的底座内设置有控制板和底部舵机8，底部舵机用于驱动机械臂水平转动；所述的机械臂主体包括多段依次连接的机臂，相邻机臂由机臂舵机驱动后在竖直方向相对转动，底部舵机和机臂舵机均电连接至控制板，且每个舵机与控制板之间均连接有电流传感器；所述的喂食装置包括相互扣合的下部勺体702和上部勺体701，所述下部勺体固定连接至机械臂，所述上部勺体由喂食舵机驱动后在竖直方向转动，实现喂食装置的开启和关闭。

本发明通过底座和机械臂主体驱动喂食装置，底座实现水平面上的驱动，机械臂主体实现竖直面上的驱动，喂食装置从指定夹取位置获取食物后送至指定喂食位置，方便使用者用餐。

本实施例中，所述底座、机械臂主体和喂食装置均采用塑料材料制成，这样设置的优点是质轻，便于降低舵机的负载。

如图3所示，底座固定整个装置，保证整个装置的稳定连接和可靠运行，故对上述技术方案进行优化，所述的底座包括底板1和底盖2，底盖扣合在底板上，且底盖的上表面设置有轴孔，底部舵机的输出轴竖直穿出轴孔。

本实施例中，采用一种优选的方案，所述底板连接固定在桌面或餐椅上，只需要方便对使用者进行喂食即可，底板上预留连接孔，利用连接件进行固定。

如图4、图5、图6所示，对上述技术方案进行优化，以实现机械臂主体在竖直面上的驱动，所述的机械臂主体包括第一机臂3、第二机臂4、第三机臂5 和第四机臂6，所述的机臂舵机包括第一舵机、第二舵机和第三舵机；所述第一机臂位于底盖上方并跟随底部舵机的输出轴转动；所述第一舵机水平设于第一机臂内，第一舵机的输出轴与第二机臂的下端连接并带动第二机臂转动；第二机臂的上端设有第三机臂，所述第二舵机水平设于第三机臂的下端，第二舵机的输出轴与第二机臂的上端连接；所述第三舵机水平设于第三机臂的上端，第三舵机的输出轴与第四机臂的下端连接并带动第四机臂转动。

对上述技术方案继续优化并采用优选的方案，所述的第二机臂由两根平行设置的侧臂401和设于两侧臂之间的加强连杆402组成，两根侧臂的下端和上端呈夹持状分别与第一舵机、第二舵机连接。加强连杆可提高第二机臂的强度，将第二机臂以夹持状连接第一舵机和第二舵机，可平衡第二机臂的受力，使得第二机臂在运转过程中平稳性更好。

对上述技术方案进行优化，所述的第四机臂包括连接部601和动力部602，连接部与第三舵机相连，动力部为盒体且内部设置喂食舵机，喂食舵机的输出轴伸出动力部，输出轴带动上部勺体转动。

对上述技术方案进行优化，所述的连接部为U形结构，连接部呈夹持状与第三舵机连接。

在本实施例中，所述的底部舵机、第一舵机、第二舵机和第三舵机，其输出轴上均设置有连接法兰，对应的连接件通过螺栓与连接法兰连接固定。

如图7、图8所示，对上述技术方案继续优化，上部勺体与下部勺体的相对转动不为同轴设置，所述的喂食舵机的输出轴上设置有转轮9，上部勺体连接在转轮的边缘处。在本实施例中，所述的上部勺体和下部勺体均为一体成型，其扣合面为平整的平面。

对上述技术方案进行优化，所述的下部勺体采用卡嵌连接、紧固件连接或螺纹连接的方式连接至第四机臂的动力部。这样设置的便于下部勺体的拆卸清洗，方便二次使用。

对上述技术方案进行优化，下部勺体均包括勺柄和勺匙，所述勺匙为方形，且勺匙的外侧表面为弧面。方形的勺匙便于贴合餐盘的表面，在夹取食物时更加方便。

舵机是一个闭环的整体，只支持PWM占空比信号实现位置单环PID控制，并不支持外部扩展编程，因此不能直接通过舵机控制喂食装置；为了实现协作机械臂必备的高级特性，对每一个舵机的控制电路进行改造，拆除了舵机原本的控制芯片，并在所述的控制板上集成STM32系列的芯片，芯片用于根据各个舵机的电路电流变化控制其运行，如此就实现了对舵机的自由控制。

实施例2：

本实施例公开了一种喂食机械臂的具体喂食方法和控制，旨在通过电流传感器感应舵机的电流变化，从而实现对舵机的自由控制，使得多种喂食指令下发更为简单直接。

如图9所示，本实施例公开的该喂食机械臂的喂食方法具体包括如下步骤：

S01：以底部舵机的输出轴为原点，根据餐盘摆放的位置，设定喂食装置的水平面夹取坐标点域，并分别标定为(x_k，y_k)，k∈N且k≠0；同时设定喂食坐标点(a，b，c)，abc均为常数，所述的控制板上设有存储模块，将设定的坐标信息进行存储；

S02：向喂食机械臂发送一个夹取坐标点信号，控制板控制底部舵机和机臂舵机将喂食装置驱动至对应的夹取坐标点，同时控制第三舵机驱动第四机臂，使喂食装置竖直朝向下方；

S03：控制板控制喂食舵机将喂食装置开启，同时控制机臂舵机驱动喂食装置在竖直方向朝下移动，移动过程中第一舵机正向转过角度δ，第二舵机对应反向转过角度δ，同时第三舵机也正向转过角度2δ；喂食装置移动距离Z后触及食物，此时控制板控制喂食舵机将喂食装置关闭以获取食物；

S04：控制板控制底部舵机和机臂舵机将喂食装置驱动至喂食坐标点，同时控制板控制第三舵机将喂食装置切换至水平方向；

S05：控制板控制喂食舵机将喂食装置开启，此时喂食机械臂进入等待状态，等候使用者用餐并等待接收下一个夹取坐标点信号。

上述步骤中，点域可通过预设的方式进行标定，在摆放好餐盘之后，由护理人员进行手动设定多个坐标点，每个坐标点对应一种食物的位置，一次设定点域过后即可持续供后续进餐选用。

每一个坐标点对应水平面上的位置，在进行手动标定时，可按照“前”“后”“左”“右”的方式进行调整设置。四种操作对应的执行动作为：

前、后：机械臂前探伸直或向后收缩，对应机臂舵机正向或反向运转。

左、右：机械臂向左或向右水平转动，对应底部舵机正向或反向运转。

以上是控制喂食机械臂进行喂食的常规步骤，更为具体的，如图10所示，在步骤S03中，喂食装置朝下移动至触及食物后，电流传感器检测到其所在机臂舵机电路中的电流值增大时，向控制板发送触及信号，此时控制板控制机臂舵机锁止。该控制过程实现喂食机构在获取食物过程中的悬停，可更加自动和智能地获取食物，提高了食物获取的成功率。

在本实施例中，采用优选的方案，当喂食装置与食物发生触及事件时，会造成通过机臂舵机的电流增大。由于第一舵机离喂食装置最远，根据杠杆原理，其力臂最长，因此第一舵机的电流变化量最明显。因此，本实施例中只需要考虑第一舵机的电流变化即可判断触及事件是否发生。

喂食装置在竖直朝下运动过程中，机臂舵机的电流随其本身的负载一并发生变化，对上述控制过程进行优化，避免机械臂自身在运动过程中产生的电流变化对触及的判断造成干扰，对未发生触及时机臂电机的电流变化进行滤除，包括如下步骤：

1)使用移动平均法对机臂舵机在连续200T时间内的电流值进行低频滤波处理，得到当前时间段的平均电流值I_longavg；

2)使用移动平均法对机臂舵机在连续50T时间内的电流值进行高频滤波处理，得到当前时间段的实时电流值I_shortavg；

3)赋予一个threshold值，根据|I_shortavg-I_longavg|＞threshold进行判断，若成立则判断为触及食物，若不成立则判断为未触及食物。

通过上述步骤，可对机械臂自身在运动过程中遭遇的负载变化而产生的电流波动进行滤除，使得该电流波动被视为正常的电流变化反应，而不至于被误判为发生触及事件。通过电流的滤除处理，可提高触及事件的识别正确率，提高了喂食装置的取食成功率。

如图11所示，在使用者希望有选择的享用食物时，需要从点域中选择对应的坐标点，并发送夹取坐标信号给机械臂。作为一种便于实现的优选方案，所述的喂食机械臂还包括配合使用的脑波传感器，一般脑波传感器采用市面上常用的型号即可，可采用头戴式脑波传感器或者片状脑波传感器，其用于与控制板通信连接；则步骤S02中向喂食机械臂发送夹取坐标点信号的方式包括如下细分步骤：

1)当喂食装置未停留在喂食坐标点时，通过脑波处理器向控制器发送信号，控制器控制机械臂将喂食装置驱动至喂食坐标点并进入等待状态；若喂食装置位于喂食坐标点并已经处于等待状态，则直接进入2)；

2)使用者在竖直平面内对喂食装置施加上、下、左或右方向的作用力，发出的夹取坐标信号分别与四个餐盘所在的夹取坐标对应；控制板根据下列关系式计算出底部舵机和机臂舵机的负载力矩：

Q＝J(q)^T×W，其中，W为喂食装置受到的力矢量，Q为对应舵机所受的力矩大小，q为机械臂处在等待状态下对应舵机的转轴锁止角度，J(q)是该角度下，喂食装置的位置矢量与对应舵机的转轴锁止角度的偏微分矩阵；

且

其中，dp是机械臂末端夹具三维坐标的微分；dq是机械臂每个舵机输出轴转动角度的微分；

利用上述关系式得出在上、下、左和右方向上对应的力矩矢量Q(i)，i＝1～4；

3)使用移动平均法对机臂舵机在连续500T时间内的电流值进行低频滤波处理，得到当前时间段的平均电流值I'_longavg；同时使用移动平均法对机臂舵机在连续50T时间内的电流值进行高频滤波处理，得到当前时间段的实时电流值 I'_shortavg；

4)赋予一个threshold’值，根据

进行判断，若成立则判断为施加对应力矩，控制板将喂食装置驱动至该力矩对应的夹取坐标点；若不成立则判断为未施加对应力矩。

通过上述步骤，可实现使用者自行选择需要进餐的食物。通过脑波传感器捕捉用户的意愿，并由机械臂自行判断识别接收到的信号，完成使用者下达的命令。上述方式使得使用者下达命令的方式更为简单直接，只要能够提高自身的专注度，即能触发机械臂将喂食装置驱动至等待状态；同时，即使是完全丧失行为能力的人，只要能够做到配合喂食装置将食物含入嘴中，使用嘴部对喂食装置施加不同方向的压力，就能轻松实现信号的发送，选择下一次想要吃的食物；在餐盘摆放位置固定的前提下，用餐时可采用上一次用餐的设置记录，减轻了护理人员的负担，提高了喂食机械臂的操作性；在这种模式下，本实施例在餐盘内设置的的夹取坐标点数量为四。

实施例3：

本实施例公开了一种喂食机械臂的具体喂食方法和控制，旨在通过电流传感器感应舵机的电流变化，从而实现对舵机的自由控制，使得多种喂食指令下发更为简单直接。

本实施例中采用了与实施例2中不同的技术方案，具体不同之处在于：

本实施例中不以底部舵机的输出轴为原点，而是以任意点为原点，则底部舵机的输出轴坐标为(x₀，y₀)，在这种情况下，机械臂接收到的夹取坐标信号需要进行补正，以收到的夹取坐标点为(x_k，y_k)，k∈N且k≠0为例，具体的补正后的夹取坐标点为(x_k-x₀，y_k-y₀)；

本实施例中其他过程与实施例2中相同，此处就不再赘述。

以上即为本发明列举的几种实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (9)

1.一种喂食机械臂的喂食方法，其特征在于，喂食机械臂包括底座、机械臂主体和喂食装置(7)，所述机械臂主体的底端与底座转动连接，喂食装置设于机械臂主体的顶端；所述的底座内设置有控制板和底部舵机(8)，底部舵机用于驱动机械臂主体水平转动；

其中，所述的机械臂主体包括第一机臂(3)、第二机臂(4)、第三机臂(5)和第四机臂(6)，所述的机械臂主体还包括多段依次连接的机臂，相邻机臂由机臂舵机驱动后在竖直方向相对转动，底部舵机和机臂舵机均电连接至控制板；所述的机臂舵机包括第一舵机、第二舵机和第三舵机；

所述第一机臂位于底盖上方并跟随底部舵机的输出轴转动；所述第一舵机水平设于第一机臂内，第一舵机的输出轴与第二机臂的下端连接并带动第二机臂转动；第二机臂的上端设有第三机臂，所述第二舵机水平设于第三机臂的下端，第二舵机的输出轴与第二机臂的上端连接；所述第三舵机水平设于第三机臂的上端，第三舵机的输出轴与第四机臂的下端连接并带动第四机臂转动；

喂食机械臂的喂食方法包括如下步骤：

S01：根据餐盘摆放的位置，设定喂食装置的水平面夹取坐标点域，并分别标定为(x_k，y_k)，k∈N且k≠0；同时设定喂食坐标点(a，b，c)，abc均为常数，所述的控制板上设有存储模块，将设定的坐标信息进行存储；

S02：向喂食机械臂发送一个夹取坐标点信号，控制板控制底部舵机和机臂舵机将喂食装置驱动至对应的夹取坐标点，控制板同时控制第三舵机驱动第四机臂，使喂食装置竖直朝向下方；

S03：控制板控制喂食舵机将喂食装置开启，同时控制机臂舵机驱动喂食装置在竖直方向朝下移动，移动过程中第一舵机正向转过角度δ，第二舵机对应反向转过角度δ，同时第三舵机也正向转过角度2δ；喂食装置移动距离Z后触及食物，此时控制板控制喂食舵机将喂食装置关闭以获取食物；

S04：控制板控制底部舵机和机臂舵机将喂食装置驱动至喂食坐标点，同时控制板控制第三舵机将喂食装置切换至水平方向；

S05：控制板控制喂食舵机将喂食装置开启，此时喂食机械臂进入等待状态，等候使用者用餐并等待接收下一个夹取坐标点信号；

当使用者完全丧失行为能力时，所述的喂食机械臂还包括配合使用的脑波传感器，脑波传感器与控制板通信连接；则步骤S02中向喂食机械臂发送夹取坐标点信号的方式包括如下细分步骤：

1)当喂食装置未停留在喂食坐标点时，通过脑波处理器向控制器发送信号，控制器控制机械臂将喂食装置驱动至喂食坐标点并进入等待状态；若喂食装置位于喂食坐标点并已经处于等待状态，则直接进入2)；

2)使用者在竖直平面内对喂食装置施加上、下、左或右方向的作用力，发出的夹取坐标信号分别与四个餐盘所在的夹取坐标对应；控制板根据下列关系式计算出底部舵机和机臂舵机的负载力矩：

Q＝J(q)^T×W，其中，W为喂食装置受到的力矢量，Q为对应舵机所受的力矩大小，q为机械臂处在等待状态下对应舵机的转轴锁止角度，J(q)是该角度下，喂食装置的位置矢量与对应舵机的转轴锁止角度的偏微分矩阵；

且

其中，dp是机械臂末端夹具三维坐标的微分；dq是机械臂每个舵机输出轴转动角度的微分；

利用上述关系式得出在上、下、左和右方向上对应的力矩矢量Q(i)，i＝1～4；

3)使用移动平均法对机臂舵机在连续500T时间内的电流值进行低频滤波处理，得到当前时间段的平均电流值I'_longavg；同时使用移动平均法对机臂舵机在连续50T时间内的电流值进行高频滤波处理，得到当前时间段的实时电流值I'_shortavg；

4)赋予一个threshold’值，根据

进行判断，若成立则判断为施加对应力矩，控制板将喂食装置驱动至该力矩对应的夹取坐标点；若不成立则判断为未施加对应力矩。

2.根据权利要求1所述的喂食机械臂的喂食方法，其特征在于：在步骤S03中，喂食装置朝下移动至触及食物后，电流传感器检测到其所在机臂舵机电路中的电流值增大时，向控制板发送触及信号，此时控制板控制机臂舵机锁止。

3.根据权利要求2所述的喂食机械臂的喂食方法，其特征在于，喂食装置在竖直朝下运动过程中，机臂舵机的电流随其本身的负载一并发生变化，对未发生触及时机臂电机的电流变化进行滤除，包括如下步骤：

1)使用移动平均法对机臂舵机在连续200T时间内的电流值进行低频滤波处理，得到当前时间段的平均电流值I_longavg；

2)使用移动平均法对机臂舵机在连续50T时间内的电流值进行高频滤波处理，得到当前时间段的实时电流值I_shortavg；

3)赋予一个threshold值，根据|I_shortavg-I_longavg|＞threshold进行判断，若成立则判断为触及食物，若不成立则判断为未触及食物。

4.一种采用如权利要求1-3中任一项所述的喂食方法的喂食机械臂，包括底座、机械臂主体和喂食装置(7)，所述机械臂主体的底端与底座转动连接，喂食装置设于机械臂主体的顶端；其特征在于：所述的底座内设置有控制板和底部舵机(8)，底部舵机用于驱动机械臂主体水平转动；所述的机械臂主体包括多段依次连接的机臂，相邻机臂由机臂舵机驱动后在竖直方向相对转动，底部舵机和机臂舵机均电连接至控制板，且每个舵机与控制板之间均连接有电流传感器；所述的喂食装置包括相互扣合的下部勺体(702)和上部勺体(701)，所述下部勺体固定连接至机械臂，所述上部勺体由喂食舵机驱动后在竖直方向转动，实现喂食装置的开启和关闭。

5.根据权利要求4所述的喂食机械臂，其特征在于：所述的底座包括底板(1)和底盖(2)，底盖扣合在底板上，且底盖的上表面设置有轴孔，底部舵机的输出轴竖直穿出轴孔。

6.根据权利要求5所述的喂食机械臂，其特征在于：所述的机械臂主体包括第一机臂(3)、第二机臂(4)、第三机臂(5)和第四机臂(6)，所述的机臂舵机包括第一舵机、第二舵机和第三舵机；所述第一机臂位于底盖上方并跟随底部舵机的输出轴转动；所述第一舵机水平设于第一机臂内，第一舵机的输出轴与第二机臂的下端连接并带动第二机臂转动；第二机臂的上端设有第三机臂，所述第二舵机水平设于第三机臂的下端，第二舵机的输出轴与第二机臂的上端连接；所述第三舵机水平设于第三机臂的上端，第三舵机的输出轴与第四机臂的下端连接并带动第四机臂转动。

7.根据权利要求6所述的喂食机械臂，其特征在于：所述的第二机臂由两根平行设置的侧臂(401)和设于两侧臂之间的加强连杆(402)组成，两根侧臂的下端和上端呈夹持状分别与第一舵机、第二舵机连接。

8.根据权利要求6所述的喂食机械臂，其特征在于：所述的第四机臂包括连接部(601)和动力部(602)，连接部与第三舵机相连，动力部为盒体且内部设置喂食舵机，喂食舵机的输出轴伸出动力部，输出轴带动上部勺体转动。

9.根据权利要求4所述的喂食机械臂，其特征在于：所述的控制板上集成STM32系列的芯片，芯片用于根据各个舵机的电路电流变化控制其运行。

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