CN111604911A - 一种辅助机械手臂及辅助机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助机械手臂，包括手臂底座、旋转座、机械臂和机械爪，以及控制器和与控制器连接的传感器芯片、控制开关、第一舵机、第二舵机、第三舵机；旋转座可转动设置在手臂底座上，在第一舵机带动下水平转动；机械臂采用机械连杆机构，其一端与旋转座上端通过销轴连接，在第二舵机带动下实现伸缩；机械爪设置在机械臂末端，在第三舵机带动下实现开合。传感器芯片实时采集用户手臂运动参数，并将采集结果信息传送至控制器；控制器控制第一舵机和第二舵机启停，并接收控制开关指令以控制第三舵机启停。还公开一种辅助机器人。本发明将用户小浮动手臂运动同步放大转换成机械臂的运动，结合机械爪开合，辅助行动不便人群完成所想完成的动作。

Description

一种辅助机械手臂及辅助机器人

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，特别是涉及一种辅助机械手臂及辅助机器人。

背景技术

为满足行动不便人群，如老年人、残疾人、病人等，生活上的各种不便问题，目前的辅助机器人可以完成各类预置有特定动作的相关程序，比如清扫房间等动作。但是，现有的辅助机器人无法同步用户动作，还不能具体根据用户想法辅助用户完成具体操作。

由此可见，上述现有的辅助机器人在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的辅助机械手臂及辅助机器人，使其可根据用户胳膊的实时动作，完成与用户同步的移动，辅助用户完成具体操作，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种辅助机械手臂，使其可根据用户胳膊的实时动作，完成与用户同步的移动，辅助用户完成具体操作，从而克服现有的辅助机器人的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种辅助机械手臂，包括控制器和与所述控制器连接的传感器芯片、控制开关、第一舵机、第二舵机、第三舵机，以及手臂底座、旋转座、机械臂和机械爪；

所述旋转座可转动的设置在所述手臂底座上，并在所述第一舵机的带动下相对于所述手臂底座实现水平转动；所述机械臂采用机械连杆机构，其一端与所述旋转座上端通过销轴连接，并在所述第二舵机的带动下实现伸缩；所述机械爪设置在所述机械臂的末端，并在所述第三舵机的带动下实现开合；

所述传感器芯片，用于实时采集用户手臂运动参数，并将采集结果信息传送至所述控制器；所述控制器根据所述传感器芯片传送的信息，控制所述第一舵机和第二舵机启停，并接收所述控制开关的指令，控制所述第三舵机启停。

进一步改进，所述机械连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆和三角块，所述第一连杆采用长方形框架结构，所述长方形框架结构的下部两端分别可摆动的连接在所述旋转座上，所述长方形框架结构的上部两端分别与所述第四连杆的中上部和所述三角块一端可转动连接；所述第二连杆和第三连杆的下端分别可转动的连接在所述旋转座上，所述第二连杆和第三连杆的上端分别与所述第四连杆的上端和所述三角块的另一端可转动连接；所述第四连杆的另一端与所述机械爪可转动连接；所述第五连杆和第六连杆的一端分别与所述三角块的两端可转动连接，所述第五连杆和第六连杆的另一端分别与所述机械爪可转动连接，则所述长方形框架结构在所述第二舵机的带动下相对于所述旋转座摆动，所述第四连杆、第五连杆、第六连杆在所述第二连杆、第三连杆、三角块的约束下，实现所述机械爪的位置移动。

进一步改进，所述机械爪包括连接座和至少两个相对开合设置的机械指，至少两个所述机械指的开合根部可转动的设置在所述连接座上，且至少两个所述机械指的根部设置成相互啮合的齿轮结构，所述第三舵机设置在所述连接座上，所述第三舵机的输出轴上固定连接一个角度可调的二连杆，所述二连杆的另一端与其中一个所述机械指连接，则所述第三舵机带动所述二连杆的一端转动，所述二连杆的另一端带动其中一个所述机械指转动，其它所述机械指在啮合齿轮作用下同步转动，实现所述机械爪的开合。

进一步改进，所述机械指的外表面套设有防滑乳胶膜。

进一步改进，所述传感器芯片采用MPU-6050芯片，所述传感器芯片背面设置用于粘贴在用户胳膊上的粘贴层。

进一步改进，所述控制器采用arduino主板，所述控制器设置在所述手臂底座上。

进一步改进，所述控制器与所述传感器芯片和所述控制开关之间均通过无线通讯方式连接。

进一步改进，所述控制器与所述传感器芯片之间通过无线通讯方式连接，所述控制开关通过所述传感器芯片上的无线通讯模块与所述控制器连接。

本发明还提供一种辅助机器人，包括上述的辅助机械手臂。

进一步改进，包括辅助机械左手臂和辅助机械右手臂，所述辅助机械左手臂和辅助机械右手臂均采用上述的辅助机械手臂。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1.本发明辅助机械手臂通过设置用于粘贴在用户胳膊上的传感器芯片，以实时采集用户胳膊的运动参数，并通过控制器实现对第一舵机、第二舵机的启停控制，能实现机械臂的转动和伸缩，再通过控制器根据控制开关的指令控制第三舵机启停，能实现机械爪的开合，以实现该辅助机械手臂与用户胳膊同步的移动，以及对物品的抓取，帮助用户完成具体的操作，使该辅助机械手臂能真正实现用户同步动作的操控。

2.机械臂的机械连杆机构通过第二连杆、第三连杆和三角块对第四连杆、第五连杆、第六连杆的约束作用，能实现在第二舵机的带动下完成机械臂的伸缩动作。

3.机械爪中通过机械指根部设置成的相互啮合齿轮结构，能实现一个主动机械指在第三舵机的带动下旋转时，其它机械指同步转动，实现相对设置机械指之间的开合动作，最终辅助用户完成自身想完成的操作；还通过防滑乳胶膜的设置，能进一步保证机械爪的抓取力。

4.还通过采用MPU-6050芯片，能实时采集到用户胳膊的三维运动参数，最终融合出三轴角度的控制指令信息，便于控制器对第一舵机和第二舵机的控制，实现该机械臂的精准移动。

5.还通过将控制器与传感器芯片和控制开关之间均设置为无线通讯方式连接，克服用户与辅助机械手臂之间连线的局限，提升用户使用的方便性，提高用户操控体验。

6.本发明辅助机器人通过采用改进的辅助机械手臂，可以将用户小浮动的手臂运动同步放大，转换成机械臂的运动，利用机械臂来完成用户所需完成的动作，尤其适用于老年人、残疾人、病人等特殊群体，方便行动不便人群完成更多的日常行为动作。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明辅助机械手臂的工作原理示意图。

图2是本发明辅助机械手臂(半收缩状态)的立体结构示意图。

图3是本发明辅助机械手臂(半收缩状态)的结构侧视图。

图4是本发明辅助机械手臂(伸展状态)的立体结构示意图。

图5是本发明辅助机械手臂(伸展状态)的结构侧视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的较优实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图1至5所示，本实施例辅助机械手臂，包括控制器和与该控制器连接的传感器芯片、控制开关、第一舵机5、第二舵机6、第三舵机7，以及手臂底座1、旋转座2、机械臂3和机械爪4。

该旋转座2可转动的设置在该手臂底座1上，并在该第一舵机5的带动下相对于该手臂底座1实现水平转动，即能实现安装在其上的机械臂3和机械爪4的旋转移动，提高辅助机械手臂的活动范围。

该机械臂3采用机械连杆机构，其一端与该旋转座2上端通过销轴连接，并在该第二舵机6的带动下实现摆动，进而实现机械臂的伸缩。

具体的，该机械连杆机构包括第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33、第四连杆34、第五连杆35、第六连杆36和三角块37。该第一连杆31采用长方形框架结构，该长方形框架结构的下部两端分别可摆动的连接在该旋转座2上，该长方形框架结构的上部两端分别与该第四连杆34的中上部和该三角块37一端可转动连接；该第二连杆32和第三连杆33的下端分别可转动的连接在该旋转座2上，该第二连杆32和第三连杆33的上端分别与该第四连杆34的上端和该三角块37的另一端可转动连接；该第四连杆34的另一端与该机械爪4可转动连接；该第五连杆35和第六连杆36的一端分别与该三角块37的两端可转动连接，该第五连杆35和第六连杆36的另一端分别与该机械爪37可转动连接，则该长方形框架结构在该第二舵机6的带动下相对于该旋转座摆动，该第四连杆34、第五连杆35、第六连杆36在该第二连杆32、第三连杆33、三角块37的约束下，实现该机械爪4的位置移动。

该机械爪4设置在该机械臂3的末端，并在该第三舵机7的带动下实现开合。

本实施例中该机械爪4包括连接座41和两个相对开合设置的机械指42，两个该机械指42的开合根部可转动的设置在该连接座41上，且两个该机械指42的根部设置成相互啮合的齿轮结构421，该第三舵机7设置在该连接座41上，该第三舵机7的输出轴上固定连接一个角度可调的二连杆43，该二连杆43的另一端与其中一个该机械指42连接，则该第三舵机7带动该二连杆43的一端转动，该二连杆43的另一端带动其中一个该机械指42转动，另一个机械指在啮合齿轮结构421的作用下同步转动，实现该机械爪4的开合。当然，该机械爪还可以包括多个机械指，该多个机械指之间均通过齿轮结构相互啮合，在一个机械指在第三舵机的带动下转动时，其它机械指均相对于该机械指相对移动，实现更好的抓握动作。

为了提高该机械爪的抓取力，该机械指42的外表面均套设有防滑乳胶膜。一方面可以避免机械指对物品外表面的摩擦损伤，另一方面可以增加机械指和物品间的摩擦力，以方便牢固抓取表面光滑的物品。

本实施例中该传感器芯片采用MPU-6050芯片，使用时，固定在用户胳膊上，以实时采集用户手臂的运动参数，并通过角度融合算法测量出的三个加速度分量和三个旋转角速度分量，融合出三个轴的角度，形成指令信息传送至该控制器。由于用户小臂活动比大臂更为灵活，故将该传感器芯片固定在小臂中间段位置处，以便更好的同步用户动作。还为了提高该芯片采集数据的精准性，该传感器芯片背面设置用于粘贴在用户胳膊上的粘贴层。

该控制器根据该传感器芯片传送的信息，控制该第一舵机5和第二舵机6的启停，还通过接收该控制开关的指令，以控制该第三舵机7的启停。

本实施例中该控制器采用arduino主板，且该控制器设置在该手臂底座1上。该控制器中可以预置有同步比例系数。同步比例系数越大，用户做出小浮动动作时，辅助机械臂即可以做出等比例的大浮动动作。当然，这一同步比例系数可以按照实际需求调整。

本实施例辅助机械手臂的工作原理为：把传感器芯片贴附在用户小臂上，如用户移动胳膊意于握住杯子时，传感器芯片可实时采集用户胳膊的运动参数，对采集的运行参数生成相应的控制指令信息发送给控制器；控制器基于该控制指令信息控制第一舵机5和第二舵机6启动，使机械臂3转动和伸展以同步用户胳膊的移动，在该机械臂3带动机械爪4移动到杯子一侧时，用户按下控制开关，控制器接收控制开关指令后控制第三舵机7启动，则机械指42打开；用户胳膊再向前伸展，同时控制器带动机械臂3向前，将杯子置于两个机械指42之间，此时，用户再次按下控制开关，控制器控制第三舵机7再次启动，进而两个机械指42闭合以握住杯子，则实现辅助机械手臂同步用户握住杯子的动作。

还为了提升用户体验，该控制器与该传感器芯片和该控制开关之间均通过无线通讯方式连接。如在控制器与该传感器芯片和该控制开关中均设置蓝牙模块，能实现用户与该辅助机械手臂在一定范围内的自由活动，使用户与辅助机械手臂之间脱离连线的约束，提高辅助机械手臂应用的灵活性。

当然，也可以只是控制器与传感器芯片之间通过无线通讯方式连接，而控制开关与传感器芯片之间有线连接，则控制开关通过该传感器芯片上的无线通讯模块与控制器连接，这样用户手持控制开关操作，不影响用户与机械臂之间的距离。

将上述辅助机械手臂设置在辅助机器人上，能实现该辅助机器人同步用户胳膊动作，利用辅助机械臂的转动和伸展，以及机械爪的抓取动作，完成用户所需完成的动作，适用于老年人、残疾人、病人等特殊群体。

当然，该辅助机器人上可设置两个对称设置的上述辅助机械手臂，作为辅助机械左手臂和辅助机械右手臂。即该辅助机器人能实现双手操作，以满足用户对偏重或偏大物品的移动或抓取等的动作，扩大使用范围。

本发明辅助机器人可以将用户小浮动的手臂运动同步放大，转换成机械臂的运动，利用机械臂来完成用户所需完成的动作，尤其适用于老年人、残疾人、病人等特殊群体。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种辅助机械手臂，其特征在于，包括手臂底座、旋转座、机械臂和机械爪，以及控制器和与所述控制器连接的传感器芯片、控制开关、第一舵机、第二舵机、第三舵机；

所述旋转座可转动的设置在所述手臂底座上，并在所述第一舵机的带动下相对于所述手臂底座实现水平转动；所述机械臂采用机械连杆机构，其一端与所述旋转座上端通过销轴连接，并在所述第二舵机的带动下实现伸缩；所述机械爪设置在所述机械臂的末端，并在所述第三舵机的带动下实现开合；

所述传感器芯片，用于实时采集用户手臂运动参数，并将采集结果信息传送至所述控制器；所述控制器根据所述传感器芯片传送的信息，控制所述第一舵机和第二舵机启停，并接收所述控制开关的指令，控制所述第三舵机启停。

2.根据权利要求1所述的辅助机械手臂，其特征在于，所述机械连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆和三角块，所述第一连杆采用长方形框架结构，所述长方形框架结构的下部两端分别可摆动的连接在所述旋转座上，所述长方形框架结构的上部两端分别与所述第四连杆的中上部和所述三角块一端可转动连接；所述第二连杆和第三连杆的下端分别可转动的连接在所述旋转座上，所述第二连杆和第三连杆的上端分别与所述第四连杆的上端和所述三角块的另一端可转动连接；所述第四连杆的另一端与所述机械爪可转动连接；所述第五连杆和第六连杆的一端分别与所述三角块的两端可转动连接，所述第五连杆和第六连杆的另一端分别与所述机械爪可转动连接，则所述长方形框架结构在所述第二舵机的带动下相对于所述旋转座摆动，所述第四连杆、第五连杆、第六连杆在所述第二连杆、第三连杆、三角块的约束下，实现所述机械爪的位置移动。

3.根据权利要求2所述的辅助机械手臂，其特征在于，所述机械爪包括连接座和至少两个相对开合设置的机械指，至少两个所述机械指的开合根部可转动的设置在所述连接座上，且至少两个所述机械指的根部设置成相互啮合的齿轮结构，所述第三舵机设置在所述连接座上，所述第三舵机的输出轴上固定连接一个角度可调的二连杆，所述二连杆的另一端与其中一个所述机械指连接，则所述第三舵机带动所述二连杆的一端转动，所述二连杆的另一端带动其中一个所述机械指转动，其它所述机械指在啮合齿轮作用下同步转动，实现所述机械爪的开合。

4.根据权利要求3所述的辅助机械手臂，其特征在于，所述机械指的外表面套设有防滑乳胶膜。

5.根据权利要求1至4任一项所述的辅助机械手臂，其特征在于，所述传感器芯片采用MPU-6050芯片，所述传感器芯片背面设置用于粘贴在用户胳膊上的粘贴层。

6.根据权利要求5所述的辅助机械手臂，其特征在于，所述控制器采用arduino主板，所述控制器设置在所述手臂底座上。

7.根据权利要求6所述的辅助机械手臂，其特征在于，所述控制器与所述传感器芯片和所述控制开关之间均通过无线通讯方式连接。

8.根据权利要求6所述的辅助机械手臂，其特征在于，所述控制器与所述传感器芯片之间通过无线通讯方式连接，所述控制开关通过所述传感器芯片上的无线通讯模块与所述控制器连接。

9.一种辅助机器人，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的辅助机械手臂。

10.根据权利要求9所述的辅助机器人，其特征在于，包括辅助机械左手臂和辅助机械右手臂，所述辅助机械左手臂和辅助机械右手臂均采用所述辅助机械手臂。

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