CN110053029B - 一种自供电旋转检测及交互控制装置和方法 - Google Patents

一种自供电旋转检测及交互控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自供电旋转检测及交互控制装置和方法，所述装置包括：手指关节(3)、肘关节(4)以及肩关节(5)；所述手指关节(3)和肘关节(4)通过第一连接杆(1)进行连接，所述肘关节(4)和肩关节(5)通过第二连接杆(2)进行连接。所述手指关节(3)、肘关节(4)以及肩关节(5)中均安装有角度传感器，每个关节处的旋转角度由角度传感器测出。本发明的优点在于：当对人形机器人进行示教时，只需将其穿戴在人的手臂上，通过人的手臂就可以对机器人手臂各种复杂的动作进行示教，从而大大提高了机器人编程的效率。

Description

一种自供电旋转检测及交互控制装置和方法
技术领域
本发明属于人机交互控制技术领域，具体涉及一种自供电旋转检测及交互控制装置和方法。
背景技术
随着社会的发展和产业结构的变化，人类对于科技产品的依赖性日益殷切，且因医疗水平的快速提升，老年化社会加速形成，因此，服务型机器人未来的发展潜力不容小觑。在科技尖端的时代，机器人成为人民的守护者，尤其是对老弱妇孺的服务，以当今的科技实力并不无可能，所以服务型机器人未来将成为人类不可缺少的生活伙伴。相较于一般轮式或多足机器人，拥有与人类外形相仿的类人形服务机器人使人更容易亲近，同时类人形机器人对于起伏的地面或者狭窄空间的适用性更强。除了成为服务型机器人之外，类人形机器人在娱乐以及教育等领域的发展空间同样不可忽略，他们可以组成舞团或者乐团进行巡演也能代替老师前往教室上课，这些功能未来都可以由类人形机器人实现。
机器人之所以能够为人类服务，是因为它能够实现一系类复杂而又规范的操作动作，而这些动作都是通过编程实现的。目前对机器人的编程方式主要分为两种：示教编程和离线编程。示教编程，即操作人员通过示教器，手动控制机器人的关节运动，以使机器人运动到预定的位置，同时将该位置进行记录，并传递到机器人控制器中，之后的机器人可根据指令自动重复该任务，操作人员也可以选择不同的坐标系对机器人进行示教。离线编程是通过软件在电脑里重建整个工作场景的三维虚拟环境，同时配合软件操作者的一些操作，自动生成机器人的运动轨迹，即控制指令，然后在软件中仿真与调整轨迹，最后生成机器人程序传输给机器人。这两种方法都可以实现对机器人运动轨迹的控制，在日常的生产及生活中已经得到了广泛的应用。
离线编程虽然可以根据虚拟场景中的零件形状，自动生成机器人的运动轨迹，但是对于简单轨迹的生成，它没有示教编程的效率高。在实际应用中，模型误差、工件装配误差、机器人绝对定位误差等都会对其精度有一定的影响，我们需要采用各种办法来尽量消除这些误差。示教编程法相对离线编程的编程门槛低、简单方便、不需要环境模型，但对于复杂的路径，示教在线编程难以取得令人满意的效果，且示教器种类太多，学习量太大且示教过程容易发生事故，轻则撞坏设备，重则撞伤人。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的第一个方面，提供了一种自供电旋转检测及交互控制装置，包括：手指关节(3)、肘关节(4)以及肩关节(5)；所述手指关节(3)和肘关节(4)通过第一连接杆(1)进行连接，所述肘关节(4)和肩关节(5)通过第二连接杆(2)进行连接。
优选的，所述手指关节(3)、肘关节(4)以及肩关节(5)中均安装有角度传感器，每个关节处的旋转角度由角度传感器测出。
优选的，所述角度传感器由固定支架(11)、限位螺柱(12)、铰链(13)、摩擦片(14)和齿轮(15)组成；两片所述摩擦片(14)背靠背粘接在所述铰链(13)上；所述铰链(13)固定在所述固定支架(11)上；所述限位螺柱(12)有两个，分别抵住所述铰链(13)的两边；两片所述摩擦片(14)分别伸入齿轮(15)的同一个齿两侧。
优选的，所述摩擦片分为依次叠加的三层，分别是基底(21)、铜电极(22)、聚氟乙烯丙烯薄膜(23)。
优选的，所述基底(21)为PVC塑料片。
优选的，所述齿轮(15)的每个齿上都用铜箔(24)包裹，所述齿轮旋转时每个齿依次与所述摩擦片接触。
优选的，所述肩关节有两个自由度，可以实现X和Z方向旋转；所述肘关节有一个自由度，可以实现Z方向的旋转；所述手指关节有一个自由度，可以实现X方向的旋转。
优选的，所述铜电极(22)用于收集摩擦电产生的电信号，并通过导线传送给外部机器人的信号处理单元。
根据本发明的第二个方面，提供了一种自供电旋转检测及交互控制方法，使用根据上述的自供电旋转检测及交互控制装置，将所述肩关节通过穿戴装置固定在人的肩部，肘关节固定在人的肘部；将所述手指关节通过绑带绑扎在人手上，将所述手指关节的抓手绑扎在人的手指上，通过手指的弯曲带动齿轮转动；通过记录每个关节产生的电信号的个数，计算对应齿轮的旋转角度，确定自供电旋转检测及交互控制装置的空间位置；将所述每个关节产生的电信号传递给外部机器人，所述机器人根据所述电信号完成相对应的动作，从而完成示教。
本发明的优点在于：当对人形机器人进行示教时，只需将其穿戴在人的手臂上，通过人的手臂就可以对机器人手臂各种复杂的动作进行示教，从而大大提高了机器人编程的效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的整体结构示意图；
附图2示出了根据本发明实施方式的角度传感器结构示意图；
附图3示出了根据本发明实施方式的肩关节结构示意图；
附图4示出了根据本发明实施方式的肘关节结构示意图；
附图5示出了根据本发明实施方式的手指关节结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明设计了自供电人机交互关节臂，主要解决人形机器人手臂的编程问题。由于人的手臂比较灵活，关节的自由度很多，如果对手臂的姿势有要求，比如跳舞机器人，在使用离线编程时，将极大考验编程者的空间想象力。如果使用传统的示教器，大量的示教工作将极大的降低编程的效率。本发明设计的自供电人机交互关节臂，通过近似模拟人的手臂对类人形机器人进行编程。在肩关节处设置了两个旋转自由度，在肘关节以及指关节处各设置了一个旋转自由度，每个旋转轴处安装一个齿轮和两片摩擦片。旋转轴带动齿轮旋转时，每转过一个齿，齿与其中的一个摩擦片都会产生一个电信号，当反向旋转时，齿与另一个摩擦片同样会产生一个电信号。通过记录每个旋转关节产生的电信号的个数，就可以知道该旋转轴旋转的角度，从而可以确定关节臂在空间中的位置。将这些电信号传递给人形机器人时，机器人就会根据这些电信号完成相对应的动作，从而完成对类人形机器人手臂的示教。
本发明首先设计了一个基于摩擦电的角度传感器，当旋转轴带动齿轮正向旋转一个齿的角度时，齿与摩擦片之间就会产生一个电信号，当旋转轴反向旋转时，齿与另一片摩擦片之间也会产生一个电信号，通过记录正向和反向摩擦片产生的电信号的个数，就可以检测旋转轴正向或者反向旋转时的角度。由于电信号是利用摩擦电产生的，故该传感器无需额外电源供电。其次设计了一个可穿戴式的关节臂，关节臂的四个旋转轴利用该角度传感器，可以检测出当前关节旋转的角度，从而实现对人形机器人的示教编程。
如图1所示，自供电人机交互关节臂主要由手指关节3、肘关节4以及肩关节5三部分组成，手指关节和肘关节通过连接杆1进行连接，连接杆2将肘关节和肩关节连接在一起。如图3所示，肩关节有两个自由度，可以实现X和Z方向旋转。肘关节如图4所示，可以实现Z方向的旋转。手指关节如图5所示，可以实现X方向的旋转。手指关节3、肘关节4以及肩关节5中，均安装有角度传感器，每个关节处的旋转角度由角度传感器测出。
如图2所示为角度传感器的示意图。如图2(a)所示，角度传感器由固定支架11、限位螺柱12、铰链13、摩擦片14和齿轮15组成。两片摩擦片14背靠背粘接在铰链13上；铰链13固定在固定支架11上；限位螺柱12有两个，分别抵住铰链13的两边；两片摩擦片14分别伸入齿轮15的同一个齿两侧。摩擦片分为三层，基底21是PVC的塑料片，该塑料片弹性较好且多次弯曲后不容易发生塑性变形。中间一层为铜电极22，用于收集摩擦电产生的电信号，并通过导线传送给外部机器人的信号处理单元。最上面一层为聚氟乙烯丙烯(FEP)薄膜23，它是易得电子的材料。齿轮的每个齿上都用铜箔24包裹，铜箔是易于失电子的材料。因此，易得电子的FEP和易失电子的铜箔组成了基本的纳米摩擦发电机。当摩擦片与齿轮的位置如图2中的(a)和(b)所示时，此时两种摩擦材料的表面都不带电。当转轴带动齿轮旋转时，此时FEP与铜箔之间相互接触，如图2中的(c)和(d)所示，由于FEP和铜箔的得失电子能力不同，得电子能力强的FEP将从得电子能力弱的铜箔表面吸引电子，由于摩擦起电效应，将产生摩擦电荷，使得FEP和铜箔带上数量相等极性相反的电荷。当齿轮继续旋转使得FEP与铜箔脱离时，如图2中的(a)和(b)所示，此时将会在两种薄膜的接触面之间形成电势差，因为FEP表面电荷无法屏蔽，存在的电势差使得电子从FEP流向铜电极，从而在铜电极表面产生负电荷，形成了电信号。当FEP重新靠近铜箔时，FEP表面的摩擦电荷将对铜箔表面摩擦电荷产生屏蔽作用，电子将从FEP流动到铜电极，从而减少了铜电极上的电荷量。FEP薄膜与铜箔不断的接触和分离，在外电路回路中将不断地产生交变的电信号。当齿轮旋转时，齿轮每旋转一个齿的角度，就会使齿轮齿上贴的铜箔与FEP接触和分离一次，从而产生一个电信号，这样就可以知道齿轮旋转的角度。
两片摩擦片通过胶带背靠背粘接在铰链上，当齿轮正向转动时，如图2中(c)所示，一片摩擦片与齿轮接触产生电信号，另一片摩擦片在齿轮旋转的带动下，由于铰链的作用会张开一定的角度，避免摩擦片直接粘接在固定支架上产生的由弯曲变形带来的干扰信号的影响。然而为了防止摩擦片张开的角度过大，当齿轮反向旋转时，摩擦片与齿轮接触不到，所以通过限位螺柱限制摩擦片张开的角度。
将肩关节通过穿戴装置直接固定在人的肩部，肘关节固定在人的肘部。手指关节通过绑带直接绑扎在人的手上，手指关节前面的抓手直接绑在人的手指上，通过手指的弯曲带动齿轮转动。这样人的手臂以及手指的转动都可以通过该关节臂进行真实情况的反应。当对人形机器人进行示教时，只需将其穿戴在人的手臂上，通过人的手臂就可以对机器人手臂各种复杂的动作进行示教，从而大大提高了机器人编程的效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种自供电旋转检测及交互控制装置，其特征在于，包括：
手指关节（3）、肘关节（4）以及肩关节（5）；
所述手指关节（3）和肘关节（4）通过第一连接杆（1）进行连接，所述肘关节（4）和肩关节（5）通过第二连接杆（2）进行连接；
所述手指关节（3）、肘关节（4）以及肩关节（5）中均安装有角度传感器，每个关节处的旋转角度由角度传感器测出；
所述角度传感器由固定支架（11）、限位螺柱（12）、铰链（13）、摩擦片（14）和齿轮（15）组成；两片所述摩擦片（14）背靠背粘接在所述铰链（13）上；所述铰链（13）固定在所述固定支架（11）上；所述限位螺柱（12）有两个，分别抵住所述铰链（13）的两边；两片所述摩擦片（14）分别伸入齿轮（15）的同一个齿两侧；
所述齿轮（15）的每个齿上都用铜箔（24）包裹，所述齿轮旋转时每个齿依次与所述摩擦片接触；
所述摩擦片分为依次叠加的三层，分别是基底（21）、铜电极（22）、聚氟乙烯丙烯薄膜（23）；所述铜电极（22）用于收集摩擦电产生的电信号，并通过导线传送给外部机器人的信号处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种自供电旋转检测及交互控制装置，其特征在于，
所述基底（21）为PVC塑料片。
3.根据权利要求2所述的一种自供电旋转检测及交互控制装置，其特征在于，
所述肩关节有两个自由度，可以实现X和Z方向旋转；所述肘关节有一个自由度，可以实现Z方向的旋转；所述手指关节有一个自由度，可以实现X方向的旋转。
4.一种自供电旋转检测及交互控制方法，使用根据权利要求3所述的自供电旋转检测及交互控制装置，其特征在于，
将所述肩关节通过穿戴装置固定在人的肩部，肘关节固定在人的肘部；将所述手指关节通过绑带绑扎在人手上，将所述手指关节的抓手绑扎在人的手指上，通过手指的弯曲带动齿轮转动；
通过记录每个关节产生的电信号的个数，计算对应齿轮的旋转角度，确定自供电旋转检测及交互控制装置的空间位置；
将所述每个关节产生的电信号传递给外部机器人，所述机器人根据所述电信号完成相对应的动作，从而完成示教。
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