CN211388761U - 一种具有体感功能的助残机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有体感功能的助残机器人，包括电动小车、六自由度机械臂和主机端。六自由度机械臂安装在电动小车顶部，电动小车上固定有定位传感器、控制器、电源模块和用于采集场景图像数据的第一Kinect体感摄像头。主机端包括依次相连的图形适配器、计算机和第二Kinect体感摄像头，第二Kinect体感摄像头用于采集手臂关节图像数据，计算机与控制器无线连接。本实用新型的助残机器人可通过体感功能，快速响应使用者手臂动作，实现物体抓取等操作。操作方便，使用者与机器人不直接接触，安全可靠。本实用新型的助残机器人可提高残疾人的生活便利度。

Description

一种具有体感功能的助残机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种具有体感功能的助残机器人。

背景技术

据统计，我国残疾人总数达8000万以上，其中，肢体残疾人数占比超过25％。肢体残疾，尤其是腿脚残疾的人，行动能力差或完全丧失行动能力。现有的助残设备，诸如拐杖、义肢等，虽能帮助腿脚残疾的人获得一定程度的行动能力，但需要使用者通过身体直接接触控制，耗费体力，如若操作不当，使用者很容易受伤。

发明内容

本实用新型提出一种具有体感功能的助残机器人。

本实用新型所采用的方案为：

一种具有体感功能的助残机器人，包括电动小车、六自由度机械臂和主机端；

所述电动小车包括上下相对设置的底板和顶板，所述底板和所述顶板间通过若干支撑杆固连，所述底板下端面外缘沿着周向均匀固定三个编码直流电机，每一编码直流电机的输出轴均朝向外侧，且每一编码直流电机的输出轴端部均安装有麦克纳姆轮；所述六自由度机械臂安装在所述顶板上端面上，所述底板上端面固定有定位传感器、控制器、电源模块和用于采集场景图像数据的第一Kinect体感摄像头，所述定位传感器、所述六自由度机械臂、所述第一Kinect体感摄像头和三个编码直流电机分别与所述控制器相连，所述电源模块为所述助残机器人除所述主机端以外的部件供电；

所述主机端包括图形适配器、计算机和用于采集手臂关节图像数据的第二Kinect体感摄像头，所述第二Kinect体感摄像头、所述图形适配器和所述计算机依次相连，所述计算机与所述控制器通过无线方式信号连接。

进一步地，所述六自由度机械臂包括：第一大臂关节、第二大臂关节、第一小臂关节、第二小臂关节、腕关节和机械爪；

所述第一大臂关节包括第一舵机、第一舵机固定架、第一U型连接件和第一L型连接件，所述第一舵机固定架水平固定在所述顶板上端面中间位置，所述第一舵机安装在所述第一舵机固定架上，所述第一舵机的输出轴朝向右侧，所述第一舵机的输出轴端部安装有第一舵盘；所述第一U型连接件自上而下跨设在所述第一舵机上，所述第一U型连接件的一侧板与所述第一舵盘固定相连，另一侧板与所述第一舵机固定架转动连接；所述第一L型连接件固定在所述第一U型连接件顶部；

所述第二大臂关节包括第二舵机、第二舵机固定架、第二U型连接件和第二L型连接件；所述第二舵机固定架竖直固定在所述第一L型连接件上，所述第二舵机安装在所述第二舵机固定架上，所述第二舵机的输出轴朝向左侧，所述第二舵机的输出轴端部安装有第二舵盘；所述第二U型连接件自上而下跨设在所述第二舵机上，所述第二U型连接件的一侧板与所述第二舵盘固定相连，另一侧板与所述第二舵机固定架转动连接；所述第二L型连接件固定在所述第二U型连接件顶部；

所述第一小臂关节包括第三舵机、第三舵机固定架和第三L型连接件；所述第三舵机固定架横向固定在所述第二L型连接件上，所述第三舵机安装在所述第三舵机固定架上，所述第三舵机的输出轴朝上，所述第三舵机的输出轴端部安装有第三舵盘，所述第三L型连接件与所述第三舵盘固定相连；

所述第二小臂关节包括第四舵机、第四舵机固定架、第三U型连接件和第四L型连接件；所述第四舵机固定架竖直固定在所述第三L型连接件上，所述第四舵机安装在所述第四舵机固定架上，所述第四舵机的输出轴朝向右侧，所述第四舵机的输出轴端部安装有第四舵盘；所述第三U型连接件自上而下跨设在所述第四舵机上，所述第三U型连接件的一侧板与所述第四舵盘固定相连，另一侧板与所述第四舵机固定架转动连接；所述第四L型连接件固定在所述第三U型连接件顶部；

所述腕关节包括第五舵机、直角连接件、第一夹板和第二夹板；所述直角连接件与所述第四L型连接件固定连接，所述第五舵机固定在所述直角连接件上，所述第五舵机的输出轴朝上，所述第五舵机的输出轴端部安装有第一十字舵盘，所述第一夹板和所述第二夹板分别竖直固定在所述第一十字舵盘上，两夹板相对，且留有间隙；

所述机械爪包括机械爪固定板、第六舵机、左齿柄连接件、右齿柄连接件、左夹爪、右夹爪、第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆；

所述机械爪固定板底部竖直插接在所述两夹板间，并与所述两夹板固定连接；所述第六舵机固定安装在所述机械爪固定板背面，所述第六舵机的输出轴向前穿过所述机械爪固定板，所述第六舵机的输出轴端部安装有第二十字舵盘，所述右齿柄连接件的齿部与所述第二十字舵盘固定连接，所述左齿柄连接件的齿部与所述机械爪固定板通过第一销轴转动连接，所述右齿柄连接件的齿部和所述左齿柄连接件的齿部啮合；所述左夹爪的尾端与所述左齿柄连接件的柄部通过第二销轴转动连接，所述右夹爪的尾端与所述右齿柄连接件的柄部通过第三销轴转动连接；所述第一连杆和所述第二连杆各自的一端分别与所述左夹爪中间位置通过第四销轴转动连接，第一、第二连杆分别位于所述左夹爪前、后侧，所述第一连杆和所述第二连杆各自的另一端分别与所述机械爪固定板前部通过第五销轴转动连接；所述第三连杆和所述第四连杆各自的一端分别与所述右夹爪中间位置通过第六销轴转动连接，第三、第四连杆分别位于所述右夹爪前、后侧，所述第三连杆和所述第四连杆各自的另一端分别与所述机械爪固定板前部通过第七销轴转动连接；

第一、第二、第三、第四、第五、第六舵机分别与所述控制器相连。

进一步地，侧板与舵机固定架转动连接方式为：侧板与舵机固定架通过螺栓相连，螺栓上套有一轴承，侧板套在轴承上，舵机固定架和螺栓端部共同限制侧板作轴向移动。

进一步地，所述控制器包括STM32f103主控制器和与所述STM32f103主控制器相连的树莓派3B+，所述树莓派3B+集成有无线网卡，所述树莓派3B+与所述计算机通过TCP无线通信。

进一步地，所述电源模块为12V锂电池。

进一步地，所述底板、所述顶板和多个支撑杆均为亚克力材质。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的助残机器人可通过体感功能，快速响应使用者手臂动作，实现物体抓取等操作。操作方便，使用者与机器人不直接接触，安全可靠。本实用新型的助残机器人可提高残疾人的生活便利度。

附图说明

图1为本实用新型的助残机器人的结构示意图；

图2为主机端的结构示意图；

图3为电动小车的结构示意图；

图4为第一大臂关节的结构示意图；

图5为第二大臂关节的结构示意图；

图6为第一小臂关节的结构示意图；

图7为第二小臂关节的结构示意图；

图8为腕关节的结构示意图；

图9为机械爪的结构示意图；

附图标记：1-电动小车，101-底板，102-顶板，103-支撑杆，104-编码直流电机，105-麦克纳姆轮；2-第一Kinect体感摄像头，3-第一大臂关节，301-第一舵机，302-第一舵盘，303-第一舵机固定架，304-第一U型连接件，305-第一L型连接件；4-第二大臂关节，401-第二舵机，402-第二舵盘，403-第二舵机固定架，404-第二U型连接件，405-第二L型连接件；5-第一小臂关节，501-第三舵机，502-第三舵盘，503-第三舵机固定架，504-第三L型连接件；6-第二小臂关节，601-第四舵机，602-第四舵盘，603-第四舵机固定架，604-第三U型连接件，605-第四L型连接件；7-腕关节，701-第五舵机，702-直角连接件，703-第一十字舵盘，704-第一夹板，705-第二夹板；8-机械爪，801-机械爪固定板，802-第六舵机，803-左齿柄连接件，804-右齿柄连接件，805-第二十字舵盘，806-左夹爪，807-右夹爪，808-第一连杆，809-第二连杆，8010-第三连杆，8011-第四连杆；9-第二Kinect体感摄像头，10-图形适配器，11-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的具有体感功能的助残机器人作进一步地详细说明。

如图1和图2所示的具有体感功能的助残机器人，包括电动小车1、六自由度机械臂和主机端。

参见图3，电动小车1包括上下相对设置的底板101和顶板102，底板101和顶板102通过若干支撑杆103固连，底板101下端面外缘沿着周向均匀固定三个编码直流电机104，每一编码直流电机104的输出轴均朝向外侧，且每一编码直流电机104的输出轴端部均安装有麦克纳姆轮105，底板101上位于每一麦克纳姆轮105位置均开设有相适配的缺口。编码直流电机104上设置编码盘，编码盘可读取电机转速，进而获得对应麦克纳姆轮105的运动速度。结合图1，六自由度机械臂安装在顶板102上端面上中间位置，底板101上端面固定有定位传感器、控制器、电源模块和用于采集场景图像数据的第一Kinect体感摄像头2，定位传感器、六自由度机械臂、第一Kinect体感摄像头2和三个编码直流电机104分别与控制器相连，电源模块为助残机器人除主机端以外的部件供电。

主机端包括图形适配器10、计算机11和用于采集手臂关节图像数据的第二Kinect体感摄像头9，第二Kinect体感摄像头9、图形适配器10和计算机11依次相连，计算机11与控制器通过无线方式信号连接。第二Kinect体感摄像头9、图形适配器10和计算机11均通过电源适配器连接220V市电进行供电。

具体地，参见图1，六自由度机械臂包括：第一大臂关节3、第二大臂关节4、第一小臂关节5、第二小臂关节6、腕关节7和机械爪8。

如图4所示，第一大臂关节3包括第一舵机301、第一舵机固定架303、第一U型连接件304和第一L型连接件305，第一舵机固定架303通过螺栓水平固定在顶板102上端面中间位置，第一舵机301通过螺栓安装在第一舵机固定架303上，第一舵机301的输出轴朝向右侧(参见图1)，第一舵机301的输出轴端部安装有第一舵盘302。第一U型连接件304自上而下跨设在第一舵机301上，第一U型连接件304的一侧板与第一舵盘302通过螺栓固定相连，另一侧板与第一舵机固定架303转动连接。第一L型连接件305通过螺栓固定在第一U型连接件304顶部。

如图5所示，第二大臂关节4包括第二舵机401、第二舵机固定架403、第二U型连接件404和第二L型连接件405。第二舵机固定架403通过螺栓竖直固定在第一L型连接件305上，第二舵机401通过螺栓安装在第二舵机固定架403上，第二舵机401的输出轴朝向左侧(参见图1)，第二舵机401的输出轴端部安装有第二舵盘402。第二U型连接件404自上而下跨设在第二舵机401上，第二U型连接件404的一侧板与第二舵盘402通过螺栓固定相连，另一侧板与第二舵机固定架403转动连接。第二L型连接件405通过螺栓固定在第二U型连接件404顶部。

如图6所示，第一小臂关节5包括第三舵机501、第三舵机固定架503和第三L型连接件504。第三舵机固定架503通过螺栓横向固定在第二L型连接件405上，第三舵机501通过螺栓安装在第三舵机固定架503上，第三舵机501的输出轴朝上(参见图1)，第三舵机501的输出轴端部安装有第三舵盘502，第三L型连接件504与第三舵盘502通过螺栓固定相连。

如图7所示，第二小臂关节6包括第四舵机601、第四舵机固定架603、第三U型连接件604和第四L型连接件605。第四舵机固定架603通过螺栓竖直固定在第三L型连接件504上，第四舵机601通过螺栓安装在第四舵机固定架603上，第四舵机601的输出轴朝向右侧(参见图1)，第四舵机601的输出轴端部安装有第四舵盘602。第三U型连接件604自上而下跨设在第四舵机601上，第三U型连接件604的一侧板与第四舵盘602通过螺栓固定相连，另一侧板与第四舵机固定架603转动连接。第四L型连接件605通过螺栓固定在第三U型连接件604顶部。

如图8所示，腕关节7包括第五舵机701、直角连接件702、第一夹板704和第二夹板705。直角连接件702与第四L型连接件605固定连接，第五舵机701通过螺栓固定在直角连接件702上，第五舵机701的输出轴朝上(参见图1)，第五舵机701的输出轴端部安装有第一十字舵盘703，第一夹板704和第二夹板705分别通过螺钉竖直固定在第一十字舵盘703上，两夹板相对，且留有间隙。

如图9所示，机械爪8包括机械爪固定板801、第六舵机802、左齿柄连接件803、右齿柄连接件804、左夹爪806、右夹爪807、第一连杆808、第二连杆809、第三连杆8010和第四连杆8011。

机械爪固定板801底部竖直插接在两夹板间(参见图1)，并与两夹板通过螺栓固定连接。第六舵机802通过螺钉固定安装在机械爪固定板801背面，第六舵机802的输出轴向前穿过机械爪固定板801，第六舵机802的输出轴端部安装有第二十字舵盘805，右齿柄连接件804的齿部与第二十字舵盘805通过螺钉固定连接，左齿柄连接件803的齿部与机械爪固定板801通过第一销轴转动连接，右齿柄连接件804的齿部和左齿柄连接件803的齿部啮合。左夹爪806的尾端与左齿柄连接件803的柄部通过第二销轴转动连接，右夹爪807的尾端与右齿柄连接件804的柄部通过第三销轴转动连接。第一连杆808和第二连杆809各自的一端分别与左夹爪806中间位置通过第四销轴转动连接，第一、第二连杆分别位于左夹爪806前、后侧，第一连杆808和第二连杆809各自的另一端分别与机械爪固定板801前部通过第五销轴转动连接。第三连杆8010和第四连杆8011各自的一端分别与右夹爪807中间位置通过第六销轴转动连接，第三、第四连杆分别位于右夹爪807前、后侧，第三连杆8010和第四连杆8011各自的另一端分别与机械爪固定板801前部通过第七销轴转动连接。

第一、第二、第三、第四、第五、第六舵机分别与控制器相连。

本实施例中，底板101、顶板102和多个支撑杆103均为亚克力材质。

侧板与舵机固定架转动连接的方式为：侧板与舵机固定架通过螺栓相连，螺栓上套有一轴承，侧板套在轴承上，舵机固定架和螺栓端部共同限制侧板作轴向移动。

控制器包括STM32f103主控制器和与STM32f103主控制器相连的树莓派3B+，树莓派3B+采用的CPU型号为BCM2837B0，树莓派3B+集成有无线网卡，可与计算机11通过TCP通信。电源模块为12V锂电池，12V锂电池直接为第一Kinect体感摄像头2、各舵机和各电机供电。12V锂电池为控制器供电时，通过电压转换器转为5V电压进行供电。

本实用新型的助残机器人的使用方法为：

六自由度机械臂预先建模并存储于计算机11中，建模方法采用D-H参数法。助残机器人的控制方式为体感控制：首先，助残机器人旋转一周(STM32f103主控制器控制三个编码直流电机104同向转动)，过程中，第一Kinect体感摄像头2采集场景图像数据，场景图像数据发送至计算机11中生成三维场景模型。接着，使用者在计算机11中输入目标点位置，该目标点位置数据传输至树莓派3B+，树莓派3B+通过SLAM算法，根据目标点位置和定位传感器获得的当前位置自动规划移动路径，避开障碍物，STM32f103主控制器控制助残机器人按照规划的路径移动到目标点位置(直线移动通过一编码直流电机104不动，另两编码直流电机104转动方向相反实现)，定位传感器可精确判别助残机器人是否到达指定的目标点位置。最后，使用者手臂动作，第二Kinect体感摄像头9实时采集手臂关节图像并通过图形适配器10传输至计算机11，计算机11对手臂关节图像进行正向运动学和逆向运动学求解，得到对应于六自由度机械臂各关节的转动角度，并生成转角数据包，手掌张合的数据对应于机械爪8的开合度。转角数据包发送至树莓派3B+，STM32f103主控制器根据转角数据包控制各舵机转动，实现物体抓取等操作。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有体感功能的助残机器人，其特征在于，包括电动小车(1)、六自由度机械臂和主机端；

电动小车(1)包括上下相对设置的底板(101)和顶板(102)，底板(101)和顶板(102)间通过若干支撑杆(103)固连，底板(101)下端面外缘沿着周向均匀固定三个编码直流电机(104)，每一编码直流电机(104)的输出轴均朝向外侧，且每一编码直流电机(104)的输出轴端部均安装有麦克纳姆轮(105)；所述六自由度机械臂安装在顶板(102)上端面上，底板(101)上端面固定有定位传感器、控制器、电源模块和用于采集场景图像数据的第一Kinect体感摄像头(2)，所述定位传感器、所述六自由度机械臂、第一Kinect体感摄像头(2)和三个编码直流电机(104)分别与所述控制器相连，所述电源模块为所述助残机器人除所述主机端以外的部件供电；

所述主机端包括图形适配器(10)、计算机(11)和用于采集手臂关节图像数据的第二Kinect体感摄像头(9)，第二Kinect体感摄像头(9)、图形适配器(10)和计算机(11)依次相连，计算机(11)与所述控制器通过无线方式信号连接。

2.根据权利要求1所述的具有体感功能的助残机器人，其特征在于，所述六自由度机械臂包括：第一大臂关节(3)、第二大臂关节(4)、第一小臂关节(5)、第二小臂关节(6)、腕关节(7)和机械爪(8)；

第一大臂关节(3)包括第一舵机(301)、第一舵机固定架(303)、第一U型连接件(304)和第一L型连接件(305)，第一舵机固定架(303)水平固定在顶板(102)上端面中间位置，第一舵机(301)安装在第一舵机固定架(303)上，第一舵机(301)的输出轴朝向右侧，第一舵机(301)的输出轴端部安装有第一舵盘(302)；第一U型连接件(304)自上而下跨设在第一舵机(301)上，第一U型连接件(304)的一侧板与第一舵盘(302)固定相连，另一侧板与第一舵机固定架(303)转动连接；第一L型连接件(305)固定在第一U型连接件(304)顶部；

第二大臂关节(4)包括第二舵机(401)、第二舵机固定架(403)、第二U型连接件(404)和第二L型连接件(405)；第二舵机固定架(403)竖直固定在第一L型连接件(305)上，第二舵机(401)安装在第二舵机固定架(403)上，第二舵机(401)的输出轴朝向左侧，第二舵机(401)的输出轴端部安装有第二舵盘(402)；第二U型连接件(404)自上而下跨设在第二舵机(401)上，第二U型连接件(404)的一侧板与第二舵盘(402)固定相连，另一侧板与第二舵机固定架(403)转动连接；第二L型连接件(405)固定在第二U型连接件(404)顶部；

第一小臂关节(5)包括第三舵机(501)、第三舵机固定架(503)和第三L型连接件(504)；第三舵机固定架(503)横向固定在第二L型连接件(405)上，第三舵机(501)安装在第三舵机固定架(503)上，第三舵机(501)的输出轴朝上，第三舵机(501)的输出轴端部安装有第三舵盘(502)，第三L型连接件(504)与第三舵盘(502)固定相连；

第二小臂关节(6)包括第四舵机(601)、第四舵机固定架(603)、第三U型连接件(604)和第四L型连接件(605)；第四舵机固定架(603)竖直固定在第三L型连接件(504)上，第四舵机(601)安装在第四舵机固定架(603)上，第四舵机(601)的输出轴朝向右侧，第四舵机(601)的输出轴端部安装有第四舵盘(602)；第三U型连接件(604)自上而下跨设在第四舵机(601)上，第三U型连接件(604)的一侧板与第四舵盘(602)固定相连，另一侧板与第四舵机固定架(603)转动连接；第四L型连接件(605)固定在第三U型连接件(604)顶部；

腕关节(7)包括第五舵机(701)、直角连接件(702)、第一夹板(704)和第二夹板(705)；直角连接件(702)与第四L型连接件(605)固定连接，第五舵机(701)固定在直角连接件(702)上，第五舵机(701)的输出轴朝上，第五舵机(701)的输出轴端部安装有第一十字舵盘(703)，第一夹板(704)和第二夹板(705)分别竖直固定在第一十字舵盘(703)上，两夹板相对，且留有间隙；

机械爪(8)包括机械爪固定板(801)、第六舵机(802)、左齿柄连接件(803)、右齿柄连接件(804)、左夹爪(806)、右夹爪(807)、第一连杆(808)、第二连杆(809)、第三连杆(8010)和第四连杆(8011)；

机械爪固定板(801)底部竖直插接在所述两夹板间，并与所述两夹板固定连接；第六舵机(802)固定安装在机械爪固定板(801)背面，第六舵机(802)的输出轴向前穿过机械爪固定板(801)，第六舵机(802)的输出轴端部安装有第二十字舵盘(805)，右齿柄连接件(804)的齿部与第二十字舵盘(805)固定连接，左齿柄连接件(803)的齿部与机械爪固定板(801)通过第一销轴转动连接，右齿柄连接件(804)的齿部和左齿柄连接件(803)的齿部啮合；左夹爪(806)的尾端与左齿柄连接件(803)的柄部通过第二销轴转动连接，右夹爪(807)的尾端与右齿柄连接件(804)的柄部通过第三销轴转动连接；第一连杆(808)和第二连杆(809)各自的一端分别与左夹爪(806)中间位置通过第四销轴转动连接，第一、第二连杆分别位于左夹爪(806)前、后侧，第一连杆(808)和第二连杆(809)各自的另一端分别与机械爪固定板(801)前部通过第五销轴转动连接；第三连杆(8010)和第四连杆(8011)各自的一端分别与右夹爪(807)中间位置通过第六销轴转动连接，第三、第四连杆分别位于右夹爪(807)前、后侧，第三连杆(8010)和第四连杆(8011)各自的另一端分别与机械爪固定板(801)前部通过第七销轴转动连接；

第一、第二、第三、第四、第五、第六舵机分别与所述控制器相连。

3.根据权利要求2所述的具有体感功能的助残机器人，其特征在于，侧板与舵机固定架转动连接方式为：侧板与舵机固定架通过螺栓相连，螺栓上套有一轴承，侧板套在轴承上，舵机固定架和螺栓端部共同限制侧板作轴向移动。

4.根据权利要求1所述的具有体感功能的助残机器人，其特征在于，所述控制器包括STM32f103主控制器和与所述STM32f103主控制器相连的树莓派3B+，所述树莓派3B+集成有无线网卡，所述树莓派3B+与计算机(11)通过TCP无线通信。

5.根据权利要求1所述的具有体感功能的助残机器人，其特征在于，所述电源模块为12V锂电池。

6.根据权利要求1所述的具有体感功能的助残机器人，其特征在于，底板(101)、顶板(102)和多个支撑杆(103)均为亚克力材质。

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