CN110450145A - 一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂 - Google Patents

一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂 Download PDF

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钟嘉峰
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陈桂红
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Abstract

本发明公开一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂，包括支撑座、固定于支撑座的计算机视觉系统、具有人手臂骨型常规结构的机械臂本体、仿生驱动构件，计算机视觉系统与仿生驱动构件电连接，仿生驱动构件设置于支撑座的上部且连接机械臂本体的肩关节，及对应设置于机械臂本体的其他各关节位置并将机械臂本体连接于一体，计算机视觉系统跟踪采集人体手臂运动信息，基于人体手臂运动信息对人体手臂骨骼运动进行三维重建，获取人体手臂骨骼各关节点的驱动数据并分别将之发送至仿生驱动构件，仿生驱动构件根据驱动数据带动机械臂本体运动。本发明提供了一种结构更灵活、控制更方便的仿生机械臂。

Description

一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂
技术领域
本发明涉及计算机视觉与智能控制领域，尤其涉及基于人体骨骼识别的仿生机械臂。
背景技术
目前现有的机械臂存在着很大的弊端。比如机械臂的控制不灵活，抓取功能不够智能，特别是面对抓取对象大小不等、抓取地理位置地形复杂的情况，机械臂难以操控。而在这种情况下，一般还需要人工的调试或者是控制程序的重新编码，才能解决问题，致使机械臂使用范围具有很大的局限性。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂。
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂，包括支撑座、固定于支撑座的计算机视觉系统、具有人手臂骨型常规结构的机械臂本体、仿生驱动构件，计算机视觉系统与仿生驱动构件电连接，仿生驱动构件设置于支撑座的上部且连接机械臂本体的肩关节，及对应设置于机械臂本体的其他各关节位置并将机械臂本体连接于一体，计算机视觉系统跟踪采集人体手臂运动信息，基于人体手臂运动信息对人体手臂骨骼运动进行三维重建，获取人体手臂骨骼各关节点的驱动数据并分别将之发送至仿生驱动构件，仿生驱动构件根据驱动数据带动机械臂本体运动。
优选地，所述机械臂本体包括机械上臂，所述仿生驱动构件包括第一舵机、第一齿轮、第一锁紧螺母，所述第一舵机的机身固定于支撑座的上部且位于固定摄像头的邻侧面，第一舵机转动轴的外周缘设有第一螺纹，第一舵机转动轴贯穿第一齿轮中心孔，通过第一锁紧螺母与第一螺纹配合连接，将第一齿轮固定于第一舵机转动轴，机械上臂肩关节设有第一配合齿轮，通过第一齿轮与第一配合齿轮啮齿咬合将机械上臂肩关节可活动地连接于支撑座。
优选地，所述机械臂本体包括机械上臂，所述仿生驱动构件包括第一舵机、第一齿轮、第一中心轴、第一螺栓，所述第一舵机的机身固定于支撑座的上部，第一舵机转动轴的外周缘设有内螺纹，第一齿轮中心孔面设有与第一螺纹配合连接的外螺纹，第一舵机转动轴贯穿第一齿轮中心孔通过内外螺纹配合连接，第一齿轮镶嵌于第一中心轴的一端，第一中心轴的另一端通过第一螺栓连接于机械上臂的肩关节。
优选地，所述机械臂本体还包括机械前臂，所述仿生驱动构件还包括第二舵机、第二齿轮、第二锁紧螺母，所述第二舵机的机身固定于机械上臂肘关节，第二舵机的转动轴的外周缘设有第二螺纹，第二舵机转动轴贯穿第二齿轮中心孔，通过第二锁紧螺母与第二螺纹配连接，将第二齿轮固定于第二舵机转动轴，机械前臂肘关节设有第二配合齿轮，通过第二齿轮与第二配合齿轮的啮齿咬合将机械前臂肘关节可活动地连接于机械上臂肘关节。
优选地，所述机械臂本体还包括机械前臂，所述仿生驱动构件还包括第二舵机、[型支架、]型支架和螺栓，所述第二舵机的两侧分别设置有两对对称齿轮，一对对称齿轮分别固定[型支架的两自由端，另一对对称齿轮分别固定]型支架的两自由端，[型支架和]型支架的横向长度大于第二舵机的机身长度，[型支架纵侧面通过螺栓固定连接机械上臂的肘关节，]型支架纵侧面通过螺栓固定连接机械前臂肘关节。
优选地，所述机械臂本体还包括手腕关节和手掌，所述仿生驱动构件还包括第三舵机、第三齿轮、第二中心轴和第二螺栓，所述手腕关节与机械前臂固定连接，所述第三舵机的机身固定于手腕关节腔内，第三舵机的输出轴外周缘设有内螺纹，第三齿轮中心孔面设有与内螺纹配合连接的外螺纹，第三舵机的输出轴贯穿第三齿轮中心孔且通过内外螺纹连接，第三齿轮镶嵌入第二中心轴的一端，第二中心轴的另一端通过第二螺栓连接手掌。
优选地，所述机械臂本体还包括5根手指，所述仿生驱动构件还包括第四舵机机组和连接线组，手掌通过手腕关节连接机械前臂，第四舵机机组设置于机械前臂内，第四舵机机组包括五个设有转盘的微型舵机，每个微型舵机对应一个手指，连接线组包括五组收张连接线，每组收张连接线对应一个微型舵机，每组收张连接线包括一根收线和一根张线，所述收线的一端固定于手指顶端，收线的另一端从手指顶端贯穿手指，再通过手掌掌心侧与手腕关节掌心侧，固定于微型舵机转盘的一侧，所述张线的一端固定于手指顶端，张线的另一端从手指顶端贯穿手指，再通过手掌掌面侧与手腕关节掌面侧，固定于微型舵机转盘所述一侧的对向侧。
优选地，所述支撑座呈倒T型，所述计算机视觉系统的分析部分设于支撑座倒T型的底盒内，所述计算机视觉系统的采集部分设于支撑座倒T型的竖筒内，所述支撑座在所述采集部分的横向映射位置设有通孔。
优选地，所述计算机视觉系统的采集部分为摄像头，所述分析部分包括具有三维重建处理功能的控制器、电源和GPIO检测按键，所述摄像头固定于支撑座且与控制器电连接，电源与控制器电连接，控制器分别与GPIO检测按键、仿生驱动构件电连接。
优选地，所述计算机视觉系统的分析部分还包括存储器，所述的存储器与控制器电连接。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过计算机视觉系统跟踪采集人体手臂运动信息，对人体骨骼识别，精确模仿，基于人体手臂运动信息对人体手臂骨骼进行三维重建，获取人体手臂骨骼各关节点的驱动数据并分别将之发送至仿生驱动构件，仿生驱动构件根据驱动数据带动机械臂本体运动。本发明通过机械臂本体上具有人手臂骨型常规结构，仿生驱动构件设置于支撑座的上部且连接机械臂本体的肩关节，及对应设置于机械臂本体的其他各关节位置，将人体手臂骨骼各关节点的驱动数据对应发送至仿生驱动构件，使仿生机械臂做出人体手臂运动的相应动作，从而实现仿生手臂与人体手臂的同步动作，完成仿生手臂的动作操控。
附图说明
图1为本发明一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂的结构示意图。
图2为本发明的机械上臂通过仿生驱动构件连接于支撑座的局部结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1-2所示，一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂，包括支撑座1、固定于支撑座的计算机视觉系统、具有人手臂骨型常规结构的机械臂本体2、仿生驱动构件3，计算机视觉系统与仿生驱动构件3电连接，仿生驱动构件3设置于支撑座1的上部且连接机械臂本体2的肩关节，及对应设置于机械臂本体2的其他各关节位置并将机械臂本体2连接于一体。
在本发明实施例中，本发明通过机械臂本体2上具有人手臂骨型常规结构，仿生驱动构件3设置于支撑座的上部且连接机械臂本体2的肩关节，及对应设置于机械臂本体2的其他各关节位置，将人体手臂骨骼各关节点的驱动数据对应发送至仿生驱动构件3，使仿生机械臂做出人体手臂运动的相应动作，从而实现仿生手臂与人体手臂的同步动作，完成仿生手臂的动作操控。
补充说明地是，本发明的计算机视觉系统用于跟踪采集人体手臂运动信息，对人体骨骼识别，精确模仿，基于人体手臂运动信息对人体手臂骨骼进行三维重建，获取人体手臂骨骼各关节点的驱动数据并分别将之发送至仿生驱动构件3，仿生驱动构件3根据驱动数据带动机械臂本体2运动。所运用的三维重建技术：使用普通RGB摄像头对人的手臂动作信息进行采集，将采集到的图像信息传输给控制器且放入训练好的卷积神经网络中进行迭代以得到准确的关键点目标值以及关键点之间的匹配值，进行最优化匹配值处理，得到完整的人体关键点信息。将得到的2D关键点信息放入另一个神经网络模型中估计3D的关键点坐标，以此实现人体姿态关键点的三维重建。本发明的计算机视觉系统为现有技术，在此不再累述。
本发明的计算机视觉系统为现有技术，在此不再累述。
优选地，所述机械臂本体2包括机械上臂21，所述仿生驱动构件3包括第一舵机、第一齿轮、第一锁紧螺母，所述第一舵机的机身固定于支撑座的上部且位于固定摄像头的邻侧面，第一舵机转动轴的外周缘设有第一螺纹，第一舵机转动轴贯穿第一齿轮中心孔，通过第一锁紧螺母与第一螺纹配合连接，将第一齿轮固定于第一舵机转动轴，机械上臂21肩关节设有第一配合齿轮，通过第一齿轮与第一配合齿轮啮齿咬合将机械上臂21肩关节可活动地连接于支撑座1。
在本发明实施例中，机械上臂21通过第一舵机、第一齿轮、第一锁紧螺母的配合连接于支撑座1。
优选地，所述机械臂本体2包括机械上臂21，所述仿生驱动构件3包括第一舵机31、第一齿轮32、第一中心轴33、第一螺栓34，所述第一舵机31的机身固定于支撑座1的上部，第一舵机31转动轴的外周缘设有内螺纹，第一齿轮32中心孔面设有与第一螺纹配合连接的外螺纹，第一舵机31转动轴贯穿第一齿轮32中心孔通过内外螺纹配合连接，第一齿轮32镶嵌于第一中心轴33的一端，第一中心轴33的另一端通过第一螺栓34连接于机械上臂21的肩关节。
如图2所示，在本发明实施例中，机械上臂21通过第一舵机31、第一齿轮32、第一中心轴33、第一螺栓34的配合连接于支撑座1。
优选地，所述机械臂本体2还包括机械前臂22，所述仿生驱动构件3还包括第二舵机、第二齿轮、第二锁紧螺母，所述第二舵机的机身固定于机械上臂21肘关节，第二舵机的转动轴的外周缘设有第二螺纹，第二舵机转动轴贯穿第二齿轮中心孔，通过第二锁紧螺母与第二螺纹配连接，将第二齿轮固定于第二舵机转动轴，机械前臂22肘关节设有第二配合齿轮，通过第二齿轮与第二配合齿轮的啮齿咬合将机械前臂22肘关节可活动地连接于机械上臂21肘关节。
在本发明实施例中，机械前臂22通过第二舵机、第二齿轮、第二锁紧螺母的配合连接于机械上臂21。
优选地，所述机械臂本体2还包括机械前臂22，所述仿生驱动构件3还包括第二舵机、[型支架、]型支架和螺栓，所述第二舵机的两侧分别设置有两对对称齿轮，一对对称齿轮分别固定[型支架的两自由端，另一对对称齿轮分别固定]型支架的两自由端，[型支架和]型支架的横向长度大于第二舵机的机身长度，[型支架纵侧面通过螺栓固定连接机械上臂21的肘关节，]型支架纵侧面通过螺栓固定连接机械前臂22肘关节。
在本发明实施例中，机械前臂22通过第二舵机、[型支架、]型支架和螺栓的配合连接于机械上臂21。第二舵机优选型号为RDS3115MG的舵机。
优选地，所述机械臂本体2还包括手腕关节23和手掌24，所述仿生驱动构件3还包括第三舵机、第三齿轮、第二中心轴和第二螺栓，所述手腕关节与机械前臂22固定连接，所述第三舵机的机身固定于手腕关节腔内，第三舵机的输出轴外周缘设有内螺纹，第三齿轮中心孔面设有与内螺纹配合连接的外螺纹，第三舵机的输出轴贯穿第三齿轮中心孔且通过内外螺纹连接，第三齿轮镶嵌入第二中心轴的一端，第二中心轴的另一端通过第二螺栓连接手掌24。
在本发明实施例中，手腕关节23和手掌24通过第三舵机、第三齿轮、第二中心轴和第二螺栓的配合连接于机械前臂22。
优选地，所述机械臂本体2还包括5根手指25，所述仿生驱动构件3还包括第四舵机机组和连接线组，手掌24通过手腕关节23连接机械前臂23，第四舵机机组设置于机械前臂23内，第四舵机机组包括五个设有转盘的微型舵机，每个微型舵机对应一个手指25，连接线组包括五组收张连接线，每组收张连接线对应一个微型舵机，每组收张连接线包括一根收线和一根张线，所述收线的一端固定于从手指25顶端，收线的另一端从手指25顶端贯穿手指25，再通过手掌24掌心侧与手腕关节23掌心侧，固定于微型舵机转盘的一侧，所述张线的一端固定于手指25顶端，张线的另一端从手指25顶端贯穿手指25，再通过手掌24掌面侧与手腕关节23掌面侧，固定于微型舵机转盘所述一侧的对向侧。
在本发明实施例中，机械臂本体的5根手指25通过第四舵机机组和连接线组配合，完成5根手指25的屈张运动。微型舵机优选型号为mg996r的舵机。
优选地，所述支撑座1呈倒T型，所述计算机视觉系统的分析部分设于支撑座1倒T型的底盒内，所述计算机视觉系统的采集部分设于支撑座1倒T型的竖筒内，所述支撑座在所述采集部分的横向映射位置设有通孔。
在本发明实施例中，本发明通过支撑座1呈倒T型，以防护计算机视觉系统，通过支撑座1在所述采集部分的横向映射位置设有通孔，以配合视觉采集。
优选地，所述计算机视觉系统的采集部分为摄像头，所述分析部分包括具有三维重建处理功能的控制器、电源和GPIO检测按键，所述摄像头固定于支撑座1且与控制器电连接，电源与控制器电连接，控制器分别与GPIO检测按键、仿生驱动构件3电连接。
在本发明实施例中，本发明的计算机视觉系统通过摄像头、控制器、电源和GPIO检测按键的电连接结构，实现视觉的识别、跟踪及采集的功能。
优选地，所述计算机视觉系统的分析部分还包括存储器，所述的存储器与控制器电连接。
在本发明实施例中，本发明通过存储器存储控制器的处理数据，以实现机械臂仿生运动的记忆功能和动作指令复现。
显然，相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，包括支撑座、固定于支撑座的计算机视觉系统、具有人手臂骨型常规结构的机械臂本体、仿生驱动构件，计算机视觉系统与仿生驱动构件电连接，仿生驱动构件设置于支撑座的上部且连接机械臂本体的肩关节，及对应设置于机械臂本体的其他各关节位置并将机械臂本体连接于一体。
2.如权利要求1所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述机械臂本体包括机械上臂，所述仿生驱动构件包括第一舵机、第一齿轮、第一锁紧螺母，所述第一舵机的机身固定于支撑座的上部，第一舵机转动轴的外周缘设有第一螺纹，第一舵机转动轴贯穿第一齿轮中心孔，通过第一锁紧螺母与第一螺纹配合连接，将第一齿轮固定于第一舵机转动轴，机械上臂肩关节设有第一配合齿轮，通过第一齿轮与第一配合齿轮啮齿咬合将机械上臂肩关节可活动地连接于支撑座。
3.如权利要求1所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述机械臂本体包括机械上臂，所述仿生驱动构件包括第一舵机、第一齿轮、第一中心轴、第一螺栓，所述第一舵机的机身固定于支撑座的上部，第一舵机转动轴的外周缘设有内螺纹，第一齿轮中心孔面设有与第一螺纹配合连接的外螺纹，第一舵机转动轴贯穿第一齿轮中心孔通过内外螺纹配合连接，第一齿轮镶嵌于第一中心轴的一端，第一中心轴的另一端通过第一螺栓连接于机械上臂的肩关节。
4.如权利要求2或3所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述机械臂本体还包括机械前臂，所述仿生驱动构件还包括第二舵机、第二齿轮、第二锁紧螺母，所述第二舵机的机身固定于机械上臂肘关节，第二舵机的转动轴的外周缘设有第二螺纹，第二舵机转动轴贯穿第二齿轮中心孔，通过第二锁紧螺母与第二螺纹配连接，将第二齿轮固定于第二舵机转动轴，机械前臂肘关节设有第二配合齿轮，通过第二齿轮与第二配合齿轮的啮齿咬合将机械前臂肘关节可活动地连接于机械上臂肘关节。
5.如权利要求2或3所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述机械臂本体还包括机械前臂，所述仿生驱动构件还包括第二舵机、[型支架、]型支架和螺栓，所述第二舵机的两侧分别设置有两对对称齿轮，一对对称齿轮分别固定[型支架的两自由端，另一对对称齿轮分别固定]型支架的两自由端，[型支架和]型支架的横向长度大于第二舵机的机身长度，[型支架纵侧面通过螺栓固定连接机械上臂的肘关节，]型支架纵侧面通过螺栓固定连接机械前臂肘关节。
6.如权利要求1所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述机械臂本体还包括手腕关节和手掌，所述仿生驱动构件还包括第三舵机、第三齿轮、第二中心轴和第二螺栓，所述手腕关节与机械前臂固定连接，所述第三舵机的机身固定于手腕关节腔内，第三舵机的输出轴外周缘设有内螺纹，第三齿轮中心孔面设有与内螺纹配合连接的外螺纹，第三舵机的输出轴贯穿第三齿轮中心孔且通过内外螺纹连接，第三齿轮镶嵌入第二中心轴的一端，第二中心轴的另一端通过第二螺栓连接手掌。
7.如权利要求1所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述机械臂本体还包括5根手指，所述仿生驱动构件还包括第四舵机机组和连接线组，手掌通过手腕关节连接机械前臂，第四舵机机组设置于机械前臂内，第四舵机机组包括五个设有转盘的微型舵机，每个微型舵机对应一个手指，连接线组包括五组收张连接线，每组收张连接线对应一个微型舵机，每组收张连接线包括一根收线和一根张线，所述收线的一端固定于手指顶端，收线的另一端从手指顶端贯穿手指，再通过手掌掌心侧与手腕关节掌心侧，固定于微型舵机转盘的一侧，所述张线的一端固定于手指顶端，张线的另一端从手指顶端贯穿手指，再通过手掌掌面侧与手腕关节掌面侧，固定于微型舵机转盘所述一侧的对向侧。
8.如权利要求1所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述支撑座呈倒T型，所述计算机视觉系统的分析部分设于支撑座倒T型的底盒内，所述计算机视觉系统的采集部分设于支撑座倒T型的竖筒内，所述支撑座在所述采集部分的横向映射位置设有通孔。
9.如权利要求1所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述计算机视觉系统的采集部分为摄像头，所述分析部分包括具有三维重建处理功能的控制器、电源和GPIO检测按键，所述摄像头固定于支撑座且与控制器电连接，电源与控制器电连接，控制器分别与GPIO检测按键、仿生驱动构件电连接。
10.如权利要求9所述的基于人体骨骼识别的仿生机械臂，其特征在于，所述计算机视觉系统的分析部分还包括存储器，所述的存储器与控制器电连接。
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