CN207027518U - 一种智能体感机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能体感机械臂，由惯性传感器、液晶屏、第一微控制器、第一电源模块、无线发射模块、无线接收模块、摄像头、第二微控制器、第三电源模块、舵机驱动、机械臂和第二电源模块组成，本实用新型通过惯性传感器采集人体手臂的动作信息，并将信息发送给STM32微控制器，经过互补滤波和四元数法完成姿态解算得到手臂的运动状态，最终计算出舵机需要转动的角度。在控制算法上，建立了PID控制器用于提高手臂的鲁棒性。测试结果表明，该机械手臂动作平稳，可以体感控制手臂运动，具有学习记忆能力。

Description

一种智能体感机械臂

技术领域

本实用新型涉及一种智能控制器，尤其涉及一种智能体感机械臂。

背景技术

机械手臂是近几十年发展起来一种高科技的自动化生产设备。机械手臂是工业机器人的一个重要分支，能够通过编程来完成各种预期作业任务，但传统的机械手臂控制方式效率低，对于每种动作需要多次编程。体感技术作为一种自然高效的人机交互方式，区别于按键与触摸等传统的交互方式，体感技术提升了操作的灵活性、直观性，在游戏、移动应用、运动康复、虚拟学习、科学实验、机器操作等领域中，有着越来越广泛的应用。美国就用利用手姿态捕捉技术来完成国际空间站中的远程仿真操作。在日本电气公司开发的虚拟现实系统中，使用者就利用手姿态捕捉技术来控制虚拟的三维模型，利用该技术可实现人手自然动作去控制机械手或机器进行精确操作，在工业控制领域具有重大意义。而一些游戏厂商为了给玩家带来全新的操作互动体验，利用手姿态捕捉技术实现游戏操作控制，例如，微软公司开发的Kinect设备以及任天堂游戏公司开发的wii游戏配备套装等。

目前的体感技术主要分为光学式和惯性式动作捕捉两类，光学式动作捕捉精度高，但成本高，且受场地限制；早期的惯性式动作捕捉主要采用加速度传感器采集人体动作数据，但单一的加速度传感器数据无法保证高精度；以往体感机械手臂只能采集的人手臂的位移变化，不能感受到人手臂的力度，在操作物体时，无论物体材质如何，都施加相同的力度，容易造成被操作物体损坏。目前的压力传感器都是僵硬、固化的，而柔性压力传感器则具有弹性、柔软灵活的特点，能够准确的感受到手臂的压力变化；而且现有体感手臂还需人的操作，这就导致操作者容易疲劳，效率较低，不能长时间作业。

为了提高机械臂的准确性，提升体感控制机械手臂的准确性，设计了一种三自由度体感机械手臂，该机械手臂依靠柔性压力传感器感受人体皮肤力度的变化，准确体感操作，还具有学习记忆能力，使得机械臂不再需要多次编程。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种智能体感机械臂。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型由惯性传感器、液晶屏、第一微控制器、第一电源模块、无线发射模块、无线接收模块、摄像头、第二微控制器、第三电源模块、舵机驱动、机械臂和第二电源模块组成，所述惯性传感器和所述液晶屏的信号输出端与所述第一微控制器的信号输入端连接，所述第一电源模块与所述第一微控制器的电源端连接，第一微控制器的信号输出端与无线发射模块的输入端连接，无线发射模块与无线接收模块连接，无线接收模块与第二微控制器连接，摄像头的信号输出端与第二微控制器连接，第二微控制器的控制信号输出端与所述舵机驱动连接，所述舵机驱动与机械臂连接，所述第二电源模块与机械臂连接，所述第三电源模块与第二微控制器连接。所述第一微控制器上还设置有柔性压力传感器。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型是一种智能体感机械臂，与现有技术相比，本实用新型通过惯性传感器采集人体手臂的动作信息，并将信息发送给STM32微控制器，经过互补滤波和四元数法完成姿态解算得到手臂的运动状态，最终计算出舵机需要转动的角度。在控制算法上，建立了PID控制器用于提高手臂的鲁棒性。测试结果表明，该机械手臂动作平稳，可以体感控制手臂运动，具有学习记忆能力。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示：本实用新型由惯性传感器、液晶屏、第一微控制器、第一电源模块、无线发射模块、无线接收模块、摄像头、第二微控制器、第三电源模块、舵机驱动、机械臂和第二电源模块组成，所述惯性传感器和所述液晶屏的信号输出端与所述第一微控制器的信号输入端连接，所述第一电源模块与所述第一微控制器的电源端连接，第一微控制器的信号输出端与无线发射模块的输入端连接，无线发射模块与无线接收模块连接，无线接收模块与第二微控制器连接，摄像头的信号输出端与第二微控制器连接，第二微控制器的控制信号输出端与所述舵机驱动连接，所述舵机驱动与机械臂连接，所述第二电源模块与机械臂连接，所述第三电源模块与第二微控制器连接。所述第一微控制器上还设置有柔性压力传感器。

信息采集模块：运动采集模块由三个惯性传感器和摄像头组成。手臂压力采集系统由多个柔性压力传感器组成，佩戴时紧贴人的肌肉和皮肤；惯性传感器芯片是MPU6050，其集成三轴加速度计，三轴陀螺仪于一体，功耗和尺寸小，将三个MPU6050传感器佩戴在人的手臂上可以实时准确的动作数据。惯性传感器mpu6050采集完角速度和加速度原始数据后，利于目前成熟的姿态解算算法，即互补滤波四元数法，得到欧拉角信息。手臂开始执行某个特定工作，惯性传感器实时采集手臂的动作信息，最终将欧拉角信息通过无线模块将数据发送给机械臂。

摄像头是OV7670图像传感器，体积小，工作电压低，OmmiVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像

初始化摄像头配置后，将摄像头设置输出为YUV格式(YUYV输出，意思就是第一个字节是Y，第二个字节是U，第三个字节是Y，第四个字节是V轮流输出)，取Y分量，去掉U,V,并将Y分量转换为RGB565，得到灰度图像，便于图像处理。得到灰度图像后，先对图像进行黑白分离，上下定位，只识别黑色，记录图像左边框坐标，然后采点识别。能基本识别物体的轮廓，得到物体的特征信息。机械臂对某个物体执行操作时，安装在机械臂前端的摄像头迅速记录下该物体的信息，传送给主控制器存储到SD卡中。

机械臂控制模块由STM32微控制器和L298N驱动组成。

人的手臂在对某个物体进行造作时，佩戴在手臂上的三个惯性传感器实时采集手臂的动作信息，贴在手臂皮肤表面的柔性压力传感器采集手臂运动时压力变化，并通过无线模块传输到机械臂的控制器中。

姿态和压力信息融合，机械臂可以更加智能，当物体是鸡蛋等易碎物品时，根据人手臂的的力度，它能施加较小的力；当物体是质量比较大的物体时，它能施加较大的力。

机械臂收到数据后，主控制器经过数据预处理和多传感数据姿态解算后得到手臂的欧拉角，通过查询函数库压力对应的PWM的占空比，结合柔性传感器采集的压力信息，将该角度对应的占空比分段输入L298N驱动舵机转动角度执行，从而控制舵机转动到该角度时的速度，为了使舵机能够稳定的转动完成动作，机械臂使用软件PID控制所有舵机转动完成机械臂动作，实现从手臂姿态压力到机械臂动作之间的映射，跟随机械臂实时完成指定动作，达到体感控制机械臂。在机械臂完成这组操作的同时，主控制器将操作的压力和姿态数据和对应的物体特征信息进行存储。机械臂通过体感记忆算法的处理，可以学习记录多组动作信息，之后遇到物体时，通过摄像头图像识别，调出这个物体对应的运动动作数据，输出到舵机上，完成这个物体需要的动作。

机械臂运动模块采用齿轮式机械结构，由四个舵机分别控制机械臂三个自由度，使手臂的运动具有较高精确度。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。

舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms～2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms-----------0度

1.0ms-----------45度

1.5ms-----------90度

2.0ms-----------135度

2.5ms-----------180度

利用stm32微控制器定时器产生三路周期为20ms的PWM波，惯性传感器姿态解算得到的欧拉角一一对应相应的占空比，通过多次实验建立以1.5ms为阈值动作数据库，结合柔性传感器测量得到的压力变化，以压力大小分段输出占空比到驱动模块中，准备、有效的控制舵机转动。在体感模式下，手臂端实时发送姿态角度、手臂压力信息到机械臂端，机械臂端通过该角度查询动作数据库，并与阈值做差得到相应的占空比，根据手臂压力变化，将占空比分段输出。为了使舵机转动更加准确，得到pwm波后，先将pwm输入PID控制器中，通过调节PID参数使舵机转动准确、稳定、快速。

本实用新型设计了一种穿戴式体感控制机械臂,包括机械臂,每个关节都装有舵机进行精确的角度控制；无线终端数据处理及发射系统,用于机械手数据的无线传输、处理和驱动控制；人体手臂姿态数据采集系统,用于采集人体关节处的角度信息；图像采集系统，用于被操作物体的特征信息；手臂控制端数处理及发射系统,用于手臂控制端数据的无线传输和处理。通过人实际手臂的动作来使机械手做相应的动作,区别于传统的单个关节摇杆控制的方式,具有体感直接控制机械臂的特性。通过MPU6050传感器采集手臂的姿态信息，具有自校准功能。通过OV7670摄像头采集物体的图像特征信息，能够使机械臂具有学习记忆能力，也免去了多次编程的过程。

机械手,每个关节都装有舵机进行精确的角度控制；无线终端数据处理及发射系统,用于机械手数据的无线传输、处理和驱动控制.

人体手臂姿态数据采集系统,用于采集人体关节处的角度信息；手臂控制端数据处理及发射系统,用于手臂控制端数据的无线传输和处理；机械手和无线终端数据处理及发射系统相连,人体手臂姿态数据采集系统与手臂控制端数据处理及发射系统相连,手臂控制端数据处理及发射系统与无线终端数据处理及发射系统通过无线信号进行数据通讯。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种智能体感机械臂，其特征在于：由惯性传感器、液晶屏、第一微控制器、第一电源模块、无线发射模块、无线接收模块、摄像头、第二微控制器、第三电源模块、舵机驱动、机械臂和第二电源模块组成，所述惯性传感器和所述液晶屏的信号输出端与所述第一微控制器的信号输入端连接，所述第一电源模块与所述第一微控制器的电源端连接，第一微控制器的信号输出端与无线发射模块的输入端连接，无线发射模块与无线接收模块连接，无线接收模块与第二微控制器连接，摄像头的信号输出端与第二微控制器连接，第二微控制器的控制信号输出端与所述舵机驱动连接，所述舵机驱动与机械臂连接，所述第二电源模块与机械臂连接，所述第三电源模块与第二微控制器连接。

2.根据权利要求1所述的智能体感机械臂，其特征在于：所述第一微控制器上还设置有柔性压力传感器。