CN206578829U - 一种七自由度仿生体感机械臂 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种七自由度仿生体感机械臂，包括：第一至第七舵机，所述第一至第七舵机通过连接件依次连接，并且相邻两个舵机的旋转轴线相互垂直；机械爪，其与所述第七舵机连接，通过第七舵机旋转驱动机械爪张开或夹紧；惯性系体感系统，其设置在人体手臂上，以检测人体手臂的运动；控制器，其与所述惯性系体感系统连接，获取人体手臂的运动，输出七路控制信号，控制七个舵机协调运动以实现模拟人体手臂运动。本实用新型通过多个舵机组合模拟骨骼运动，响应速度快，使用者可以根据实际情况，设定舵机的相对位置，灵活性强。能够实时跟踪人手臂骨骼的变化，准确定位人手臂的空间位置，并通过蓝牙通信实现人手臂远程控制机械臂。
Description
技术领域
本实用新型属于机械手臂技术领域，特别涉及一种七自由度仿生体感机械臂。
背景技术
目前人们已经制作出多种体感机械臂，其中以视频识别最为常见。在视频识别方面，这种机械臂编程复杂，开发难度大，而且很难准确识别人手臂运动的空间位置信息；闭环的控制的方式会使机械臂发生震颤；使用直流电机或者步进电机作为执行器，响应速度慢；减速器等其他机械部分的配合使用，增加了设计复杂度，而且由于机械配合等问题运动精度较低。并且整个系统设备比较多，不利于携带，应用起来十分不便，且限于专业人员使用。此外现在的机械臂大多是以工业机械臂为主，造价昂贵，廉价的小型机械臂领域缺失，日常生活很难应用到体感机械臂。
随着高端娱乐的发展，越来越多的地方需要用到小型机械臂；而在远程医疗、高危拆弹等军事领域也需要一种可以远程操控的机械臂来代替人直接执行。七自由度仿生机械臂在结构功能上接近于人类手臂，人们对其的精确度，多自由度，高仿真度要求日益增长。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有机械臂结构复杂，关节较少，难以有效模拟人体手臂的缺陷，提供了一种七自由度仿生体感机械臂。
本实用新型提供的技术方案为：
一种七自由度仿生体感机械臂，包括：
第一至第七舵机，所述第一至第七舵机通过连接件依次连接，并且相邻两个舵机的旋转轴线相互垂直；
机械爪，其与所述第七舵机连接，通过第七舵机旋转驱动机械爪张开或夹紧；
惯性系体感系统，其设置在人体手臂上，以检测人体手臂的运动；
控制器，其与所述惯性系体感系统连接，获取人体手臂的运动，输出七路控制信号，控制七个舵机协调运动以实现模拟人体手臂运动；
第一舵机通过肩关节小U型连接件与肩关节T型连接件连接，第二舵机固定在肩关节小U型连接件上，肩关节大U型连接件固定在第二舵机的输出轴上，通过第一舵机的转动实现机械臂肩关节绕横向转轴旋转，通过第二舵机的转动实现机械臂肩关节绕纵向转轴旋转；
第三舵机固定在肩关节大U型连接件上，大臂大U型连接件固定在第三舵机的输出轴上；
第四舵机固定在第二关节大U型连接件上，肘关节大U型连接件固定在第四舵机的输出轴上，通过第四舵机的旋转带动机械臂的大臂和小臂相对平动；
第五舵机固定在小臂大U型连接件上，小臂W型连接件固定在第五舵机的输出轴上，通过第五舵机的旋转带动机械臂的大臂和小臂相对转动；
第六舵机固定在腕关节小U型连接件上，腕关节小U型连接件通过螺丝固定在小臂W型连接件上，同时腕关节大U型连接件固定在第六舵机的输出轴上，通过第六舵机的旋转带动机械臂构成手腕的相对的转动自由度。
优选的是，所述惯性系体感系统包括多个六轴加速度计陀螺仪。
优选的是，所述六轴加速度计陀螺仪设置有三个，分别固定在人体的上臂、前臂和手背上。
优选的是，所述惯性系体感系统与控制器通过无线方式进行数据传输。
优选的是，所述惯性系体感系统与控制器通过蓝牙进行数据传输。
本实用新型的有益效果是：
1、通过多个舵机组合模拟骨骼运动，响应速度快，使用者可以根据实际情况，设定舵机的相对位置，灵活性强。
2、能够实时跟踪人手臂骨骼的变化，准确定位人手臂的空间位置，并通过蓝牙通信实现人手臂远程控制机械臂。
3、机械臂操作精度高、灵活性强，通用性好，灵敏度高，多自由度，最大可能地把人的肢体运动在机械臂上精准体现，减少机械臂的误操作。
附图说明
图1为本实用新型所述的七自由度仿生体感机械臂总体结构示意图。
图2为本实用新型所述的肩关节组件示意图。
图3为本实用新型所述的肩关节T型连接件正视图。
图4为本实用新型所述的肩关节T型连接件侧视图。
图5为本实用新型所述的大臂组件示意图。
图6为本实用新型所述的大臂W型连接件正视图。
图7为本实用新型所述的大臂W型连接件侧视图。
图8为本实用新型所述的肘关节组件示意图。
图9为本实用新型所述的肘关节小U型连接件示意图。
图10为本实用新型所述的肘关节大U型连接件示意图。
图11为本实用新型所述的腕关节示意图。
图12为本实用新型所述的腕关节大U型连接件示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本实用新型提供了一种七自由度仿生体感机械臂，包括惯性系体感系统以及执行机构。
所述惯性系体感系统包括三个MPU6050六轴加速度计陀螺仪，MPU6050内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，结合MPU6050自带的数字运动处理器即DMP，可以直接向单片机输出四元数，同时三个MPU6050组成的惯性系体感能准确定位人手臂空间位置，极大提高了整体的精确度。
执行机构包括RDS3115舵机，RDS3115是一款大扭矩数字舵机，响应迅速，对不同占空比的pwm信号它能保持一个相应的角位移。
三个MPU6050六轴加速度计陀螺仪分别固定在上臂、前臂和手背上，通过调用MPU6050自带的数字运动处理器——DMP，将原始数据直接转换成四元数quat[0]、quat[1]、quat[2]、quat[3]输出，而DMP输出的四元数是q30格式的，也就是浮点数放大了2的30次方倍。在换算成欧拉角之前，必须先将其转换为浮点数，也就是除以2的30次方，即
q0＝quat[0]/q30
q1＝quat[1]/q30
q2＝quat[2]/q30
q3＝quat[3]/q30
单片机再进行欧拉角计算，计算公式为：
pitch＝arcsin(-2*q1*q3+2*q0*q2)*57.3
roll＝arctan2(2*q2*q3+2*q0*q1，-2*q1*q1-2*q2*q2+1)*57.3
yaw＝arctan2(2*(q1*q2+q0*q3)，q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3)*57.3
得到每一个MPU6050定位的该部分手臂的俯仰角(pitch)、横滚角(roll)和航向角(yaw)。
其中q30是一个常量：1073741824，即2的30次方。上述计算公式的57.3是弧度转换为角度，即这样得到的结果就是以度(°)为单位的。
通过蓝牙通信技术，将三个传感器的欧拉角传给机械臂端主控设备，控制机械臂做出相应反应，实现机械臂与传感器通信。该主控设备能够通过蓝牙装置接收传感器端的欧拉角数据，并对每一个舵机单独输出pwm进行控制，使多个舵机协调运动以达到模拟人手运行的目的。
如图1所示，所述七自由度仿生体感机械臂包括七个舵机，分别为第一舵机1、第二舵机2、第三舵机3、第四舵机4、第五舵机5、第六舵机6以及第七舵机7。还包括八个U型连接件，两个W形连接件，肩关节T型连接件9和机械爪组件19。
第一舵机1与第二舵机2旋转轴线相互垂直，第二舵机2与第三舵机3旋转轴线相互垂直，第三舵机3与第四舵机4旋转轴线相互垂直，第四舵机4与第五舵机5旋转轴线相互垂直，第五舵机5与第六舵机6旋转轴线相互垂直，第六舵机6与第七舵机7旋转轴线相互垂直。
如图1-图4所示，第一舵机1通过肩关节小U型连接件8和肩关节T型连接件9连接，通过第一舵机1的转动完成肩关节x轴方向的运动。
第二舵机2固定在肩关节小U型连接件8上，同时肩关节大U型连接件10固定在第二舵机2的输出轴上，通过第二舵机2的旋转带动机械臂完成肩关节y轴方向的运动。
如图1、图5、图6、图7所示，第三舵机3固定在肩关节大U型连接件10上，同时大臂大U型连接件11固定在第三舵机3的输出轴上，通过第三舵机3的旋转带动机械臂构成肩关节转动自由度；以上构成肩关节的两个平动自由度和一个转动自由度。
如图1、图8、图9、图10所示，第四舵机4固定在大臂大U型连接件11上，同时肘关节大U型连接件14固定在第四舵机4的输出轴上，通过第四舵机4的旋转带动机械臂构成大臂和小臂相对的平动自由度；第五舵机5固定在小臂大U型连接件15上，同时小臂W型连接件16固定在第五舵机5的输出轴上，通过第五舵机5的旋转带动机械臂构成大臂和小臂相对的转动自由度。
如图1、图11、图12所示，第六舵机6固定在腕关节小U型连接件17上，腕关节小U型连接件17通过螺丝固定在小臂W型连接件16上，同时腕关节大U型连接件18固定在第六舵机6的输出轴上，通过第六舵机6的旋转带动机械臂构成手腕的相对的转动自由度。
机械爪组件19通过螺钉与腕关节大U型连接件18固定，第七舵机7与机械爪通过螺钉固连，通过杠杆机构控制机械爪19夹持与松开，构成机械爪19的平面自由度。
机械手臂与固定支座连接，固定支座用于将机械手臂垂直固定。
使用时，接通电源，手臂垂直在身侧，同时机械臂舵机复位，回到初始设定的位置，完成整个系统的初始化。此后，手臂正常运动，手臂端的STM32同时计算出三个MPU6050加速度计陀螺仪传感器的欧拉角，通过蓝牙通信模块HC-06将欧拉角传给机械臂端的KL26单片机，控制输出七路pwm控制七个舵机完成模拟手臂动作。
本实用新型提供的机械臂部分采用拟人设计原则，包括肩部、肘部、腕部共七个自由度，因而七个数字舵机使它具有极高的灵活性；舵机和针对不同部位设计的连接件连接后和人手比例相近，有很高的仿真度。此外整体造价低廉。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种七自由度仿生体感机械臂，其特征在于，包括：
第一至第七舵机，所述第一至第七舵机通过连接件依次连接，并且相邻两个舵机的旋转轴线相互垂直；
机械爪，其与所述第七舵机连接，通过第七舵机旋转驱动机械爪张开或夹紧；
惯性系体感系统，其设置在人体手臂上，以检测人体手臂的运动；
控制器，其与所述惯性系体感系统连接，获取人体手臂的运动，输出七路控制信号，控制七个舵机协调运动以实现模拟人体手臂运动；
第一舵机通过肩关节小U型连接件与肩关节T型连接件连接，第二舵机固定在肩关节小U型连接件上，肩关节大U型连接件固定在第二舵机的输出轴上，通过第一舵机的转动实现机械臂肩关节绕横向转轴旋转，通过第二舵机的转动实现机械臂肩关节绕纵向转轴旋转；
第三舵机固定在肩关节大U型连接件上，大臂大U型连接件固定在第三舵机的输出轴上；
第四舵机固定在第二关节大U型连接件上，肘关节大U型连接件固定在第四舵机的输出轴上，通过第四舵机的旋转带动机械臂的大臂和小臂相对平动；
第五舵机固定在小臂大U型连接件上，小臂W型连接件固定在第五舵机的输出轴上，通过第五舵机的旋转带动机械臂的大臂和小臂相对转动；
第六舵机固定在腕关节小U型连接件上，腕关节小U型连接件通过螺丝固定在小臂W型连接件上，同时腕关节大U型连接件固定在第六舵机的输出轴上，通过第六舵机的旋转带动机械臂构成手腕的相对的转动自由度。
2.根据权利要求1所述的七自由度仿生体感机械臂，其特征在于，所述惯性系体感系统包括多个六轴加速度计陀螺仪。
3.根据权利要求2所述的七自由度仿生体感机械臂，其特征在于，所述六轴加速度计陀螺仪设置有三个，分别固定在人体的上臂、前臂和手背上。
4.根据权利要求3所述的七自由度仿生体感机械臂，其特征在于，所述惯性系体感系统与控制器通过无线方式进行数据传输。
5.根据权利要求4所述的七自由度仿生体感机械臂，其特征在于，所述惯性系体感系统与控制器通过蓝牙进行数据传输。
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| CN201720243772.7U CN206578829U (zh) | 2017-03-14 | 2017-03-14 | 一种七自由度仿生体感机械臂 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN107053156A (zh) * | 2017-03-14 | 2017-08-18 | 吉林大学 | 一种七自由度仿生体感机械臂 |
| CN111590563A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-08-28 | 广州幻境科技有限公司 | 机械臂系统及其控制方法 |
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