CN216127254U - 基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及剪枝采摘设备技术领域，且公开了基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，包括肩甲座，肩甲座的底部铰接有固定带，肩甲座的顶部固定连接有肩甲铰座，肩甲铰座的内部固定连接有直线步进电机，直线步进电机的右端固定连接有连接头，连接头远离直线步进电机的一端转动连接有连杆，肩甲铰座远离直线步进电机的一侧设置有两组对称的上臂，通过采用外骨骼技术，结合人体手臂结构，基于人体手臂自由度为七的前提下，考虑到其工作需要以及整体结构的轻量化，保留了肩关节的前屈和后伸、内收和外展两个自由度、肘关节的外伸和内屈一个自由度以及腕关节前旋和后旋一个自由度，从而达到通过衡量灵活度及轻量化设计自由度的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及剪枝采摘设备技术领域，具体为基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备。
背景技术
整枝修剪作为果园生产中最为耗时耗力的作业环节，它关系到果树的长势，水果的产量以及品质的高低，对水果生产具有重要意义，我国果树大多种植于丘陵和山地，修剪机械的研究起步晚，剪枝机械化，智能化水平比较低。
目前水果剪枝主要依靠人工来完成，但人工剪枝存在技术要求高，劳动强度大，安全性低，修剪效率低等问题，无法解决现代果园种植规模扩大，技术工短缺、成本增加等突出问题。
因此对高可靠性产品的需求迫在眉睫，故而我们提出了基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，其具有增强市场竞争力、提高工作效率、降低工人劳动强度的优点，来解决以上的问题。
实用新型内容
为实现上述增强市场竞争力、提高工作效率、降低工人劳动强度的目的，本实用新型提供如下技术方案：基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，包括肩甲座，所述肩甲座的底部铰接有固定带，所述肩甲座的顶部固定连接有肩甲铰座，所述肩甲铰座的内部固定连接有直线步进电机，所述直线步进电机的右端固定连接有连接头，所述连接头远离直线步进电机的一端转动连接有连杆，所述肩甲铰座远离直线步进电机的一侧设置有两组对称的上臂，所述上臂远离肩甲铰座的一端顶部固定连接有微型减速电机，所述上臂远离肩甲铰座的一端底部固定连接有绑带，最右端所述上臂的远离绑带的一端固定连接有前臂，所述连杆远离连接头的一端转动连接有曲板，所述曲板的底部固定连接有滑座，所述前臂的内部固定连接有无刷电机带减速箱，所述无刷电机带减速箱的正面转动连接有小圆柱齿轮，所述小圆柱齿轮的外侧啮合连接有大圆柱齿轮。
作为优化，所述直线步进电机靠近连接头的一端固定连接有推杆，所述肩甲铰座靠近曲板的一端转动连接在滑座靠近曲板的一侧，为了通过直线步进电机控制推杆推动连杆，带动滑座沿着肩甲铰座的右侧转动。
作为优化，所述上臂转动连接在滑座的顶部，为了起到对上臂的定位作用。
作为优化，靠近所述连杆的一组上臂是负责肩关节自由度调节，所述上臂的内部转动连接有圆柱齿轮对，所述微型减速电机的顶部转动连接有传动齿轮，所述传动齿轮和下方的圆柱齿轮啮合连接，为了通过微型减速电机带动传动齿轮，然后通过下方啮合连接的圆柱齿轮带动上方的圆柱齿轮转动，从而带动上臂偏转。
作为优化，靠近所述前臂的一组上臂是负责肘关节自由度调节，肘关节处所述上臂和肩关节处上臂基于某一点成对称分布，为了实现和肩关节上臂相同的运动方式。
作为优化，所述小圆柱齿轮和大圆柱齿轮的轴线与手臂轴线平行，所述大圆柱齿轮的类型为实心式直齿轮，其轴径为120mm轴线与手臂轴线一致，为了通过无刷电机带减速箱带动小圆柱齿轮和大圆柱齿轮进行旋转，从而实现腕关节的前旋和后旋。
作为优化，所述设备中肩关节两个自由度的实现，是利用曲柄滑块原理通过直线步进电机的直线运动带动铰接处的连杆进行旋转运动，从而实现肩关节的内收和外展，通过5840-3650微型直线无刷减速调速电机带动一对圆柱齿轮的旋转实现肩关节的前屈和后伸，齿数分别为20、40，减速比为2，电机以及上臂均分布在手臂轴线的旁侧，其中圆柱齿轮对的轴线与手臂轴线在水平方向垂直。
作为优化，所述装置各个机构运动的控制，采用上下两级控制，上位机采用minPC，用于人机交互，下位机采用主从两级控制，主要优势是开发资源丰富，并且系统整体更加稳定，主控制采用STM32控制开发板，配合12C总线，控制从控板，从控板采用Arduino Mega开发板。
作为优化，STM32控制开发板的控制信号的来源于肌电传感器采集得肌电信号，对肌电信号进行预处理，使其转化为脉冲信号，驱动Arduino 1-Arduino 4对于相应电机的控制，控制路线均为控制驱动器-电机-相应传动机构，从而实现对于装置的控制，同时各个从控板通过can线进行通信，实现数据的传输以及内部中断。
本实用新型的有益效果是：
1、该基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，通过采用外骨骼技术，结合人体手臂结构，基于人体手臂自由度为七的前提下，考虑到其工作需要以及整体结构的轻量化，保留了肩关节的前屈和后伸、内收和外展两个自由度、肘关节的外伸和内屈一个自由度以及腕关节前旋和后旋一个自由度，从而达到通过衡量灵活度及轻量化设计自由度的目的。
2、该基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，通过机构使用的材料为碳纤材料，在强度校核通过的前提下，整体结构打薄处理，非承重机构打减重孔处理，齿轮连接处减少齿轮缝隙，旋转关节使用导电滑环，自由度设计通过 D-H参数进行分析以及在满足使用过程的运动灵活度的基础上，采用最小化原则，使得减少动力源的数量，同时电机的选取也在满足使用要求的基础上尽量选择微型电机，从而通过对该产品着重进行了轻量化处理，使其穿戴更加的轻便。
3、该基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，通过采用上下两级控制，上位机采用minPC，用于人机交互，下位机采用主从两级控制，主控制采用STM32 控制开发板，配合12C总线，控制从控板，从控板采用Arduino Mega开发板， STM32控制开发板的控制信号的来源于肌电传感器采集得肌电信号，对肌电信号进行预处理，使其转化为脉冲信号，驱动Arduino 1-Arduino4对于相应电机的控制，控制路线均为控制驱动器-电机-相应传动机构，从而实现对于装置的控制，同时各个从控板通过can线进行通信，实现数据的传输以及内部中断，从而通过使用上下两级控制，同时下位机采用主从控制，使得控制系统更加稳定。
附图说明
图1为本实用新型外骨骼机械结构示意图；
图2为本实用新型肩关节调整结构示意图；
图3为本实用新型肩关节调整后结构示意图；
图4为本实用新型圆柱齿轮结构示意图；
图5为本实用新型腕关节调整结构示意图；
图6为本实用新型控制方案示意图。
图中：1、肩甲座；2、固定带；3、直线步进电机；4、肩甲铰座；5、连接头；6、连杆；7、上臂；8、微型减速电机；9、绑带；10、前臂；11、曲板；12、滑座；13、无刷电机带减速箱；14、小圆柱齿轮；15、大圆柱齿轮。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-3，基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，包括肩甲座1，肩甲座1的底部铰接有固定带2，肩甲座1的顶部固定连接有肩甲铰座4，肩甲铰座4的内部固定连接有直线步进电机3，直线步进电机3的右端固定连接有连接头5，连接头5远离直线步进电机3的一端转动连接有连杆6，肩甲铰座 4远离直线步进电机3的一侧设置有两组对称的上臂7，上臂7远离肩甲铰座 4的一端顶部固定连接有微型减速电机8，上臂7远离肩甲铰座4的一端底部固定连接有绑带9，最右端上臂7的远离绑带9的一端固定连接有前臂10，连杆6远离连接头5的一端转动连接有曲板11。
且参阅图2，直线步进电机3靠近连接头5的一端固定连接有推杆，肩甲铰座4靠近曲板11的一端转动连接在滑座12靠近曲板11的一侧，为了通过直线步进电机3控制推杆推动连杆6，带动滑座12沿着肩甲铰座4的右侧转动。
且参阅图2，上臂7转动连接在滑座12的顶部，为了起到对上臂7的定位作用。
且参阅图1，靠近前臂10的一组上臂7是负责肘关节自由度调节，肘关节处上臂7和肩关节处上臂7基于某一点成对称分布，为了实现和肩关节上臂7相同的运动方式。
请参阅图4-5，曲板11的底部固定连接有滑座12，前臂10的内部固定连接有无刷电机带减速箱13，无刷电机带减速箱13的正面转动连接有小圆柱齿轮14，小圆柱齿轮14的外侧啮合连接有大圆柱齿轮15。
且参阅图4，靠近连杆6的一组上臂7是负责肩关节自由度调节，肩关节处上臂7的内部转动连接有圆柱齿轮对，微型减速电机8的顶部转动连接有传动齿轮，传动齿轮和下方的圆柱齿轮啮合连接，为了通过微型减速电机8 带动传动齿轮，然后通过下方啮合连接的圆柱齿轮带动上方的圆柱齿轮转动，从而带动上臂7偏转。
且参阅图5，小圆柱齿轮14和大圆柱齿轮15的轴线与手臂轴线平行，大圆柱齿轮15的类型为实心式直齿轮，其轴径为120mm轴线与手臂轴线一致，为了通过无刷电机带减速箱13带动小圆柱齿轮14和大圆柱齿轮15进行旋转，从而实现腕关节的前旋和后旋
请参阅图1和图4，设备中肩关节两个自由度的实现，是利用曲柄滑块原理通过直线步进电机3的直线运动带动铰接处的连杆6进行旋转运动，从而实现肩关节的内收和外展，通过5840-3650微型直线无刷减速调速电机带动一对圆柱齿轮的旋转实现肩关节的前屈和后伸，齿数分别为20、40，减速比为2，电机以及上臂7均分布在手臂轴线的旁侧，其中圆柱齿轮对的轴线与手臂轴线在水平方向垂直。
请参阅图6，所述装置各个机构运动的控制，采用上下两级控制，上位机采用minPC，用于人机交互，下位机采用主从两级控制，主要优势是开发资源丰富，并且系统整体更加稳定，主控制采用STM32控制开发板，配合12C总线，控制从控板，从控板采用ArduinoMega开发板。
请参阅图6，STM32控制开发板的控制信号的来源于肌电传感器采集得肌电信号，对肌电信号进行预处理，使其转化为脉冲信号，驱动Arduino 1-Arduino 4对于相应电机的控制，控制路线均为控制驱动器-电机-相应传动机构，从而实现对于装置的控制，同时各个从控板通过can线进行通信，实现数据的传输以及内部中断。
在使用时，请参阅图1-5，通过固定带2与肩甲座1实现装置穿戴在人身上，绑带的松紧性有利机械臂在人手臂上的穿戴与定位，各个关节与机构的连接通过肩甲铰座4、上臂7与前臂10实现，其中肩关节处通过铰接的方式实现了肩关节处两个自由度机构的连接，而上臂7与前臂10，各个机构通过以一定的位置关系安装在两个杆件上，两个杆件又通过螺纹孔实现定位，螺钉实现连接，电机通过螺纹连接实现定位与装配；
请参阅图6，通过采用上下两级控制，上位机采用minPC，用于人机交互，下位机采用主从两级控制，主要优势是开发资源丰富，并且系统整体更加稳定，主控制采用STM32控制开发板，配合12C总线，控制从控板，从控板采用Arduino Mega开发板，STM32控制开发板的控制信号的来源于肌电传感器采集得肌电信号，对肌电信号进行预处理，使其转化为脉冲信号，驱动Arduino 1-Arduino 4对于相应电机的控制，控制路线均为控制驱动器-电机-相应传动机构，从而实现对于装置的控制，同时各个从控板通过can线进行通信，实现数据的传输以及内部中断。
综上所述，该基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，通过采用外骨骼技术，结合人体手臂结构，基于人体手臂自由度为七的前提下，考虑到其工作需要以及整体结构的轻量化，保留了肩关节的前屈和后伸、内收和外展两个自由度、肘关节的外伸和内屈一个自由度以及腕关节前旋和后旋一个自由度，从而达到通过衡量灵活度及轻量化设计自由度的目的；
通过机构使用的材料为碳纤材料，在强度校核通过的前提下，整体结构打薄处理，非承重机构打减重孔处理，齿轮连接处减少齿轮缝隙，旋转关节使用导电滑环，自由度设计通过D-H参数进行分析以及在满足使用过程的运动灵活度的基础上，采用最小化原则，使得减少动力源的数量，同时电机的选取也在满足使用要求的基础上尽量选择微型电机，从而通过对该产品着重进行了轻量化处理，使其穿戴更加的轻便；
通过采用上下两级控制，上位机采用minPC，用于人机交互，下位机采用主从两级控制，主控制采用STM32控制开发板，配合12C总线，控制从控板，从控板采用Arduino Mega开发板，STM32控制开发板的控制信号的来源于肌电传感器采集得肌电信号，对肌电信号进行预处理，使其转化为脉冲信号，驱动Arduino 1-Arduino4对于相应电机的控制，控制路线均为控制驱动器- 电机-相应传动机构，从而实现对于装置的控制，同时各个从控板通过can线进行通信，实现数据的传输以及内部中断，从而通过使用上下两级控制，同时下位机采用主从控制，使得控制系统更加稳定。
以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，包括肩甲座(1),其特征在于：所述肩甲座(1)的底部铰接有固定带(2)，所述肩甲座(1)的顶部固定连接有肩甲铰座(4)，所述肩甲铰座(4)的内部固定连接有直线步进电机(3)，所述直线步进电机(3)的右端固定连接有连接头(5)，所述连接头(5)远离直线步进电机(3)的一端转动连接有连杆(6)，所述肩甲铰座(4)远离直线步进电机(3)的一侧设置有两组对称的上臂(7)，所述上臂(7)远离肩甲铰座(4)的一端顶部固定连接有微型减速电机(8)，所述上臂(7)远离肩甲铰座(4)的一端底部固定连接有绑带(9)，最右端所述上臂(7)的远离绑带(9)的一端固定连接有前臂(10)，所述连杆(6)远离连接头(5)的一端转动连接有曲板(11)，所述曲板(11)的底部固定连接有滑座(12)，所述前臂(10)的内部固定连接有无刷电机带减速箱(13)，所述无刷电机带减速箱(13)的正面转动连接有小圆柱齿轮(14)，所述小圆柱齿轮(14)的外侧啮合连接有大圆柱齿轮(15)。
2.根据权利要求1所述的基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，其特征在于：所述直线步进电机(3)靠近连接头(5)的一端固定连接有推杆，所述肩甲铰座(4)靠近曲板(11)的一端转动连接在滑座(12)靠近曲板(11)的一侧。
3.根据权利要求1所述的基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，其特征在于：所述上臂(7)转动连接在滑座(12)的顶部。
4.根据权利要求1所述的基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，其特征在于：靠近所述连杆(6)的一组上臂(7)是负责肩关节自由度调节，所述上臂(7)的内部转动连接有圆柱齿轮对，所述微型减速电机(8)的顶部转动连接有传动齿轮，所述传动齿轮和下方的圆柱齿轮啮合连接。
5.根据权利要求1所述的基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，其特征在于：靠近所述前臂(10)的一组上臂(7)是负责肘关节自由度调节，肘关节处所述上臂(7)和肩关节处上臂(7)基于某一点成对称分布。
6.根据权利要求1所述的基于外骨骼的剪枝采摘用可穿戴设备，其特征在于：所述小圆柱齿轮(14)和大圆柱齿轮(15)的轴线与手臂轴线平行，所述大圆柱齿轮(15)的类型为实心式直齿轮，其轴径为120mm轴线与手臂轴线一致。
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