CN111113457B - 一种穿戴式机械臂控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿戴式机械臂控制器，其特征在于：包括手臂动作处理器，用于向机器人发送源自操作员动作的控制指令；肩关节动作传感机构，用于采集操作员肩关节动作信息；上臂动作传感机构，用于采集操作员上臂动作信息；前臂动作传感机构，用于采集操作员前臂动作信息；肩关节动作传感机构与上臂动作传感机构活动式连接，且彼此之间设置有用于检测相对旋转角度的旋转角反馈装置；上臂动作传感器机构与前臂动作传感机构活动式连接，且彼此之间设置有旋转角反馈装置；旋转角反馈装置与手臂动作处理器上的控制芯片之间以动作信息进行沟通互联。本系统具有反映灵敏，准确度高，操作简单方便，控制性能稳定、可实现精准模仿等特点。

Description

一种穿戴式机械臂控制器

技术领域

本发明涉及一种机器人控制装置，具体是一种穿戴式机械臂控制器。

背景技术

机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一系列动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣；现时市场上用于智能仿生小机器人的控制器普遍是手柄遥控，该手柄遥控一般采用几个或十几个按键组成实现控制，适用于控制机器人底盘的移动、一些已经编辑好的特定动作、及单一的重复特定动作等，每一组动作都由一个以上按键控制，每一个按键对应一组动作，若想换其它动作又要重新进行编辑，导致操作十分复杂，控制难度大。因此，有必要对现有的机器人控制器做进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种穿戴式机械臂控制器，其具有反映灵敏，准确度高，操作简单方便，控制性能稳定、可实现精准模仿等特点。

本发明的目的是这样实现的：

一种穿戴式机械臂控制器，其特征在于：包括

手臂动作处理器，用于向机器人发送源自操作员动作的控制指令；

肩关节动作传感机构，用于采集操作员肩关节动作信息；

上臂动作传感机构，用于采集操作员上臂动作信息；

前臂动作传感机构，用于采集操作员前臂动作信息；

所述肩关节动作传感机构与上臂动作传感机构活动式连接，且彼此之间设置有用于检测相对旋转角度的旋转角反馈装置；所述上臂动作传感器机构与前臂动作传感机构活动式连接，且彼此之间设置有所述旋转角反馈装置；

所述旋转角反馈装置与手臂动作处理器上的控制芯片之间以动作信息进行沟通互联。

所述肩关节动作传感机构包括肩关节固定支架、用于活动式连接上臂动作传感机构的第一传动杆、及第一万向连接件；所述第一万向连接件通过相应的所述旋转角反馈装置分别与肩关节固定支架和第一传动杆铰接，实现肩关节固定支架与第一传动杆之间的活动式连接。

所述第一传动杆包括彼此转动连接的第一连杆和第二连杆；所述第一连杆通过第一万向连接件与肩关节固定支架活动式连接，所述第一连杆通过相应的所述旋转角反馈装置与第二连杆转动连接，所述第二连杆与上臂动作传感机构活动式连接。

所述上臂动作传感机构包括用于活动式连接肩关节动作传感机构的第二传动杆、上臂固定支架、及第二万向连接件；所述第二万向连接件通过相应的所述旋转角反馈装置分别与第一传动杆和第二传动杆铰接，实现肩关节动作传感机构与上臂动作传感机构之间的活动式连接；所述第二传动杆与上臂固定支架连接。

所述前臂动作传感机构包括用于活动式连接上臂动作传感机构的前臂固定支架；所述前臂固定支架通过相应的所述旋转角反馈装置与上臂固定支架铰接。

所述上臂固定支架和/或前臂固定支架上设置有用于抓紧操作员相应肢体的夹爪。

穿戴式机械臂控制器还包括手部动作传感机构；所述手部动作传感机构包括佩戴于操作员前臂上的前臂佩戴件、及佩戴于从操作员手腕的手腕佩戴件，前臂佩戴件通过相应的所述旋转角反馈装置与手腕佩戴件铰接，以采集操作员的手腕动作信息。

所述手部动作传感机构还包括一组以上佩戴于操作员相应手指上的手指佩戴组件；所述手指佩戴组件包括第一指关节活动件、第二指关节活动件和第三指关节活动件；所述第一指关节活动件与手腕佩戴件活动式连接；所述第一指关节活动件与第二指关节活动件之间设置有第三万向连接件，第三万向连接件通过相应的所述旋转角反馈装置分别与第一指关节活动件和第二指关节活动件铰接；所述第二指关节活动件与第三指关节活动件铰接。

所述第一指关节活动件和/或第二指关节活动件和/或第三指关节活动件上设置有用于与相应手指穿戴的指环。

所述旋转角反馈装置包括用于固定连接一活动端的装置壳体、及用于固定连接另一活动端的转轴；两活动端相对转动时，转轴相对装置壳体转动，并产生相应的旋转角信息。

本发明的有益效果如下：

通过在穿戴式机械臂控制器上设置多个旋转角反馈装置以感应操作员手臂上不同部位的动作，并分别将不同部位的动作信息通过手臂动作处理器上的控制芯片发送到仿生机器人上，仿生机器人随即根据接收到的动作信息做出相应的动作；本系统中的肩关节、上臂、前臂和手部动作传感机构可以很好的佩戴于操作员相应的肢体上，以至于反馈回来的旋转角度十分准确，同步效果好；通过感应操作员的动作即可对仿生机器人实施操控，可以更接近的模拟操作员做出更多动作，而无需另外学习操控方法，操作简单方便，上手即可用；此外，本系统设置多个活动连接位置，使控制系统灵活性增大吗，能够无碍操作员做出任何动作，每个活动连接位置上可以设置旋转角反馈装置，各旋转角反馈装置都是相对坐标轴相互关联，相互影响，通过算法得到相关动作信息，以控制仿生机器人能够完成所有动作，本系统能大大提高反馈回来动作数据的准确性和稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例中穿戴式机械臂控制器佩戴于操作员上的示意图。

图2为本发明一实施例中穿戴式机械臂控制器的整体结构示意图。

图3为图2中H处的放大示意图。

图4为图2中J处的放大示意图。

图5为本发明一实施例中上臂动作传感机构与前臂动作传感结构的分解图。

图6为本发明一实施例中手部动作传感机构佩戴于操作员手部的示意图。

图7为本发明一实施例中旋转角反馈装置的结构示意图。

图8为本发明一实施例中旋转角反馈装置的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-图8，本穿戴式机械臂控制器，包括

手臂动作处理器，用于向仿生机器人发送源自操作员P动作的控制指令；手臂动作处理器上设置有控制芯片；

肩关节动作传感机构A，佩戴于与操作员肩膀对应的位置，用于采集操作员P肩关节动作信息；

上臂动作传感机构B，佩戴于操作员的上臂位置，用于采集操作员P上臂动作信息；

前臂动作传感机构C，佩戴于操作员的前臂位置，用于采集操作员P前臂动作信息；

手部动作传感机构D，佩戴于操作员的手部位置，用于采集操作员P手腕和手指动作信息；

肩关节动作传感机构A与上臂动作传感机构B活动式连接，且彼此之间设置有用于检测相对旋转角度的旋转角反馈装置17；上臂动作传感器机构与前臂动作传感机构C活动式连接，且彼此之间设置有旋转角反馈装置17；

旋转角反馈装置17与手臂动作处理器上的控制芯片之间以动作信息进行沟通互联；

为满足操作员P两手臂的控制，肩关节动作传感机构A、上臂动作传感机构B、前臂动作传感机构C和手部动作传感机构D分别设置两套，且分别佩戴于操作员P两手臂上。

进一步地，肩关节动作传感机构A包括佩戴于操作员P背部的肩关节固定支架1、用于活动式连接上臂动作传感机构B的第一传动杆3、及第一万向连接件2（本实施例中，两套肩关节动作传感机构A共用一肩关节固定支架1）；第一万向连接件2两端通过相应的旋转角反馈装置17分别与肩关节固定支架1一端和第一传动杆3一端铰接，实现肩关节固定支架1与第一传动杆3之间的活动式连接，以适应操作员P肩关节的动作，配合相关算法可更加精准的计算出肩关节的动作信息；为避免手臂动作处理器影响操作员P的正常控制，手臂动作处理器设置于肩关节固定支架1上。

进一步地，第一传动杆3包括彼此转动连接的第一连杆301和第二连杆302，第一连杆301与第二连杆302同轴配合；第一连杆301一端通过第一万向连接件2与肩关节固定支架1一端活动式连接，第一连杆301另一端通过相应的旋转角反馈装置17与第二连杆302一端转动连接，第二连杆302另一端与上臂动作传感机构B活动式连接；由于在第一传动杆3上增设可转动结构，使肩关节动作传感机构A可更精准、全面的采集操作员P肩关节位置的动作信息，最终使仿生机器人可更准确、接近的模拟从操作员P的动作。具体是，参见图3，第一万向连接件2与肩关节固定支架1之间的转动轴为轴x1，第一万向连接件2与第一传动杆3（第一连杆301）之间的转动轴为轴x2，轴x1与轴x2相互垂直。

进一步地，上臂动作传感机构B包括用于活动式连接肩关节动作传感机构A的第二传动杆5、上臂固定支架6、及第二万向连接件4；第二万向连接件4两端通过相应的旋转角反馈装置17分别与第一传动杆3另一端（具体是，第二连杆302另一端）和第二传动杆5一端铰接，实现肩关节动作传感机构A与上臂动作传感机构B之间的活动式连接；第二传动杆5另一端与上臂固定支架6一端铰接，实际使用过程中，第二传动杆5与上臂固定支架6之间没有相对活动或相对活动度较小。具体是，参见图3，第一传动杆3（第二连杆302）与第二万向连接件4之间的转动轴为轴x3，第二万向连接件4与第二传动杆5之间的转动轴为轴x4，轴x3与轴x4相互垂直；参见图4，第二传动杆5与上臂固定支架6之间的转动轴为轴x5，轴x4与轴x5相互平行。

进一步地，前臂动作传感机构C包括用于活动式连接上臂动作传感机构B的前臂固定支架8；前臂固定支架8一端通过相应的旋转角反馈装置17与上臂固定支架6另一端铰接；具体地，参见图4，前臂固定支架8与上臂固定支架6之间的转动轴为轴x6，轴x5与轴x6相互垂直。

进一步地，上臂固定支架6和前臂固定支架8侧部分别设置有用于抓紧操作员P相应肢体的夹爪7。具体是，参见图5，上臂固定支架6两侧分别铰接有两夹爪7，前臂固定支架8连个分别铰接有一夹爪7，夹爪7可相对所在的固定支架转动，以便抱紧操作员P手臂上相应的肢体。

进一步地，参见图6，手部动作传感机构D包括佩戴于操作员P前臂端部的前臂佩戴件9、及佩戴于从操作员P手腕外侧的手腕佩戴件11，前臂佩戴件9通过相应的旋转角反馈装置17与手腕佩戴件11铰接，以采集操作员P的手腕动作信息；前臂佩戴件9两侧分别铰接有一夹爪7，以抱紧前臂端部。

进一步地，手部动作传感机构D还包括五组佩戴于操作员P相应手指上的手指佩戴组件D1，五组手指佩戴组件D1分别佩戴于拇指、食指、中指、无名指和尾指上；手指佩戴组件D1包括第一指关节活动件12、第二指关节活动件14和第三指关节活动件16；第一指关节活动件12一端与手腕佩戴件11活动式连接；第一指关节活动件12另一端与第二指关节活动件14一端之间设置有第三万向连接件13，第三万向连接件13通过相应的旋转角反馈装置17分别与第一指关节活动件12和第二指关节活动件14铰接；第二指关节活动件14另一端与第三指关节活动件16一端铰接。具体地，第一指关节活动件12与第三万向连接件13之间的转动轴为轴x7 ，第二指关节活动件14与第三万向连接件13之间的转动轴为轴x8，轴x7与轴x8相互垂直；第二指关节活动件14与第三指关节活动件16之间的转动轴为轴x9，轴x8与轴x9相互平行。

进一步地，第二指关节活动件14内侧成型有用于与相应手指穿戴的指环15。

进一步地，参见图7和图8，旋转角反馈装置17包括用于固定连接一活动端的装置壳体1701、及用于固定连接另一活动端的转轴1702；两活动端相对转动时，转轴1702相对装置壳体1701转动，并产生相应的旋转角信息。

本实施例涉及的旋转角反馈装置17为电位器，其包括第一固定接点1703、第二固定接点1705和滑动接点1704，装置壳体1701内腔设置有相对固定的固定触片1706、及相对可转动的活动触片1707，第一固定接点1703和第二固定接点1705分别电连接固定触片1706两端，活动触片1707分别连接转轴1702和导电塑料1708，活动触片1707和导电塑料1708分别随转轴1702转动，活动触片1707通过导电塑料1708与固定触片1706电连接，导电塑料1708随转轴1702转动时相对滑动在固定触片1706上，实际使用时旋转动作转变成滑动动作，通过滑动动作而改变滑动接点1704与两固定接点之间的电阻值，进而产生输出端和输入端的不同电阻值，通过读取电阻值即可知道转轴1702对应的旋转角度。除此以外，旋转角反馈装置17还可以是伺服电机，伺服电机通过反馈讯号控制达到检测旋转角的目的，精准度比电位器高，但体积较大，相比之下，优先电位器为旋转角反馈装置17。

电位器除了与普通电阻器一样有标称值、倾定功率和误差等级外，还有阻值变化规律，上述的阻值变化规律是指轴的旋转角度与电阻值变化关系的规律；阻值随转轴1702内度均匀变化的电位器称为线性电位器，阻值开始时变化小，以后变化逐浙加快，近似呈指数规律的电位器，所以又被称为指数式电位器。不同变化规律的电位器，其应用场合是不同的。

电位器在外形和使用上都不同于可变电阻器。具体是，在外形上，可变电阻器一般只有两个接线，电位器则有三个接线头；可变电阻器在使用中只能改变电阻值、使电阻值在最大值和最小值之间变化，而电位器在使用中通过转轴1702不但能使电阻值在最大值与最小值之间变化、而且还能调节转动臂与两端的电位高低、所以称为电位器。电位器的种类较多并各有特点，一般按电阻材料的不同可分为碳膜电位器、碳质实芯电位器、金属膜电位器、玻璃釉电位器及线级电位器等。

上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种穿戴式机械臂控制器，其特征在于：包括

手臂动作处理器，用于向机器人发送源自操作员（P）动作的控制指令；

肩关节动作传感机构（A），用于采集操作员（P）肩关节动作信息；

上臂动作传感机构（B），用于采集操作员（P）上臂动作信息；

前臂动作传感机构（C），用于采集操作员（P）前臂动作信息；

所述肩关节动作传感机构（A）与上臂动作传感机构（B）活动式连接，且彼此之间设置有用于检测相对旋转角度的旋转角反馈装置（17）；所述上臂动作传感机构（B）与前臂动作传感机构（C）活动式连接，且彼此之间设置有所述旋转角反馈装置（17）；

所述旋转角反馈装置（17）与手臂动作处理器上的控制芯片之间以动作信息进行沟通互联；

所述肩关节动作传感机构（A）包括肩关节固定支架（1）、用于活动式连接上臂动作传感机构（B）的第一传动杆（3）、及第一万向连接件（2）；所述第一万向连接件（2）通过相应的所述旋转角反馈装置（17）分别与肩关节固定支架（1）和第一传动杆（3）铰接，实现肩关节固定支架（1）与第一传动杆（3）之间的活动式连接；第一万向连接件（2）与肩关节固定支架（1）之间的转动轴为轴x1，第一万向连接件（2）与第一传动杆（3）之间的转动轴为轴x2，轴x1与轴x2相互垂直；

所述上臂动作传感机构（B）包括用于活动式连接肩关节动作传感机构（A）的第二传动杆（5）、上臂固定支架（6）、及第二万向连接件（4）；所述第二万向连接件（4）通过相应的所述旋转角反馈装置（17）分别与第一传动杆（3）和第二传动杆（5）铰接，实现肩关节动作传感机构（A）与上臂动作传感机构（B）之间的活动式连接；所述第二传动杆（5）与上臂固定支架（6）连接；第一传动杆（3）与第二万向连接件（4）之间的转动轴为轴x3，第二万向连接件（4）与第二传动杆（5）之间的转动轴为轴x4，轴x3与轴x4相互垂直；第二传动杆（5）与上臂固定支架（6）之间的转动轴为轴x5，轴x4与轴x5相互平行；

所述前臂动作传感机构（C）包括用于活动式连接上臂动作传感机构（B）的前臂固定支架（8）；前臂固定支架（8）与上臂固定支架（6）之间的转动轴为轴x6，轴x5与轴x6相互垂直；

所述上臂固定支架（6）和/或前臂固定支架（8）上设置有用于抓紧操作员（P）相应肢体的夹爪（7）。

2.根据权利要求1所述穿戴式机械臂控制器，其特征在于：所述第一传动杆（3）包括彼此转动连接的第一连杆（301）和第二连杆（302）；所述第一连杆（301）通过第一万向连接件（2）与肩关节固定支架（1）活动式连接，所述第一连杆（301）通过相应的所述旋转角反馈装置（17）与第二连杆（302）转动连接，所述第二连杆（302）与上臂动作传感机构（B）活动式连接。

3.根据权利要求1所述穿戴式机械臂控制器，其特征在于：所述前臂固定支架（8）通过相应的所述旋转角反馈装置（17）与上臂固定支架（6）铰接。

4.根据权利要求1所述穿戴式机械臂控制器，其特征在于：还包括手部动作传感机构（D）；所述手部动作传感机构（D）包括佩戴于操作员（P）前臂上的前臂佩戴件（9）、及佩戴于从操作员（P）手腕的手腕佩戴件（11），前臂佩戴件（9）通过相应的所述旋转角反馈装置（17）与手腕佩戴件（11）铰接，以采集操作员（P）的手腕动作信息。

5.根据权利要求4所述穿戴式机械臂控制器，其特征在于：所述手部动作传感机构（D）还包括一组以上佩戴于操作员（P）相应手指上的手指佩戴组件（D1）；所述手指佩戴组件（D1）包括第一指关节活动件（12）、第二指关节活动件（14）和第三指关节活动件（16）；所述第一指关节活动件（12）与手腕佩戴件（11）活动式连接；所述第一指关节活动件（12）与第二指关节活动件（14）之间设置有第三万向连接件（13），第三万向连接件（13）通过相应的所述旋转角反馈装置（17）分别与第一指关节活动件（12）和第二指关节活动件（14）铰接；所述第二指关节活动件（14）与第三指关节活动件（16）铰接。

6.根据权利要求5所述穿戴式机械臂控制器，其特征在于：所述第一指关节活动件（12）和/或第二指关节活动件（14）和/或第三指关节活动件（16）上设置有用于与相应手指穿戴的指环（15）。

7.根据权利要求1所述穿戴式机械臂控制器，其特征在于：所述旋转角反馈装置（17）包括用于固定连接一活动端的装置壳体（1701）、及用于固定连接另一活动端的转轴（1702）；两活动端相对转动时，转轴（1702）相对装置壳体（1701）转动，并产生相应的旋转角信息。