人體感應(yīng)機(jī)械臂的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型的人體感應(yīng)機(jī)械臂，屬于自動(dòng)化機(jī)械控制裝置領(lǐng)域，該人體感應(yīng)機(jī)械臂包括機(jī)械臂套件、機(jī)械手套件和傳感組件；角速度傳感器、加速度傳感器將測(cè)出數(shù)據(jù)均由主控一通過(guò)無(wú)線裝置發(fā)送到主控二，主控二通過(guò)控制相應(yīng)的舵機(jī)完成同步動(dòng)作。該人體感應(yīng)機(jī)械臂克服現(xiàn)有機(jī)械臂靈活性差，操作精度低的問(wèn)題，能夠在惡劣的環(huán)境下完成高精度任務(wù)，在科研，醫(yī)療，救災(zāi)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】人體感應(yīng)機(jī)械臂

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種人體感應(yīng)機(jī)械臂，屬于自動(dòng)化機(jī)械裝置應(yīng)用領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械手臂是目前機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂(lè)服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見(jiàn)到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。
[0003]但是，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)機(jī)器人只能按照預(yù)定程序做一些簡(jiǎn)單的機(jī)械式運(yùn)動(dòng)靈活性，適應(yīng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)各方面的需求，而在智能機(jī)器人代表的新科技領(lǐng)域短時(shí)間內(nèi)又很難有較大的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種新型自動(dòng)化機(jī)械臂，解決克服了現(xiàn)有機(jī)械臂在操作方面精度低、靈活性差等方面的缺點(diǎn)，最大可能地把人的活動(dòng)思想在機(jī)械臂上精確的體現(xiàn)出來(lái)，減少機(jī)械臂的誤操作。
[0005]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:
一種人體感應(yīng)機(jī)械臂，包括機(jī)械臂套件、機(jī)械手套件和傳感組件；
所述機(jī)械臂套件包括依次活動(dòng)連接的肱骨件、尺骨件、腕骨件以及關(guān)節(jié)之間的連接套件；在機(jī)械臂套件的肱骨、尺骨、腕骨處設(shè)置加速度傳感器，在機(jī)械臂套件的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、橈腕關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)分別設(shè)置角速度傳感器；
所述機(jī)械手套件包括掌骨件和活動(dòng)連接在掌骨件上依次設(shè)置的拇指件、食指件、中指件、無(wú)名指件、小指件，掌骨件形成有虎口，拇指件和食指件分設(shè)在虎口的兩側(cè)；每個(gè)指件包括依次活動(dòng)連接的近節(jié)指骨件、中節(jié)指骨件、遠(yuǎn)節(jié)指骨件；掌骨件、近節(jié)指骨件、中節(jié)指骨件、遠(yuǎn)節(jié)指骨件分別設(shè)有加速度傳感器，掌骨件、近節(jié)指骨件、中節(jié)指骨件、遠(yuǎn)節(jié)指骨件的活動(dòng)連接處設(shè)有角速度傳感器；
角速度傳感器測(cè)出角速度的值，該值包括方向與大小，加速度傳感器測(cè)出加速度的值，該值包括方向與大小，角速度傳感器、加速度傳感器將測(cè)出數(shù)據(jù)均由主控一通過(guò)無(wú)線裝置發(fā)送到主控二，主控二通過(guò)控制相應(yīng)的舵機(jī)完成同步動(dòng)作。
[0006]進(jìn)一步地，通過(guò)建立系統(tǒng)模型，確定濾波量、預(yù)測(cè)量、測(cè)量量，預(yù)測(cè)量為陀螺儀測(cè)量的數(shù)據(jù)，測(cè)量量為加速度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)；運(yùn)用卡爾曼濾波算法通過(guò)遞歸運(yùn)算，消除陀螺儀漂移中的隨機(jī)噪聲。
[0007]進(jìn)一步地，由姿態(tài)解算器配合卡爾曼濾波模擬出機(jī)械臂套件、機(jī)械手套件的當(dāng)前姿態(tài)。
[0008]進(jìn)一步地，角速度傳感器、加速度傳感器通過(guò)控制器連接仿人機(jī)械臂，該仿人機(jī)械臂按照1:1的比例尺寸制作大小為155*65mm，仿人機(jī)械臂的腕關(guān)節(jié)是由四個(gè)舵機(jī)構(gòu)成，每個(gè)機(jī)械手指有2個(gè)自由度，仿人機(jī)械臂采用鋁制合金制成，在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)部分設(shè)置軸承，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)方面采用SR04的全金屬齒輪舵機(jī)。
[0009]進(jìn)一步地，機(jī)械臂套件、機(jī)械手套件采用不易變形且質(zhì)輕的鈦合金或鋁合金；機(jī)械臂套件的框架仿照人手臂大小，有4個(gè)自由度，在每個(gè)鋼制關(guān)節(jié)處放上六軸的傳感器作為其傳輸源載體。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:通過(guò)在人體機(jī)械套架上安裝六軸傳感器測(cè)量人體手臂26個(gè)自由度的加速度與角速度。由姿態(tài)解算器，配合卡爾曼濾波能夠在動(dòng)態(tài)的環(huán)境下準(zhǔn)確的模擬出模塊當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測(cè)量精度達(dá)到0.01度，穩(wěn)定度極高，采集的數(shù)據(jù)由主控一通過(guò)無(wú)線裝置發(fā)送到主控二，主控二通過(guò)控制相應(yīng)的舵機(jī)完成同步動(dòng)作。此外通過(guò)機(jī)械臂機(jī)械手的分立式拆裝，組合提高了靈活性與實(shí)用性，此外機(jī)械臂與機(jī)械手套件通過(guò)人體進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作傳送姿態(tài)信息給受控機(jī)械手臂通過(guò)肉眼矯正，減少因變形與磨損帶來(lái)的靈活性差的問(wèn)題，能夠在惡劣的環(huán)境下完成高精度任務(wù)，在科研，醫(yī)療，救災(zāi)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為實(shí)施例中的機(jī)械手套件的手背方向結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為實(shí)施例中的機(jī)械手套件的左側(cè)視圖；
圖4為實(shí)施例中的機(jī)械手套件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為實(shí)施例中的機(jī)械手套件的手心方向結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為實(shí)施例中的機(jī)械臂套件的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中:1-肱骨件，2-尺骨件，3-腕骨件，4-掌骨件，5-拇指件，6-食指件，7-中指件，8-無(wú)名指件，9-小指件，10-近節(jié)指骨件，11-中節(jié)指骨件，12-遠(yuǎn)節(jié)指骨件，13-角速度傳感器，14-加速度傳感器。

【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
實(shí)施例
[0013]基于角速度傳感器13與加速度傳感器14的機(jī)械臂，角速度傳感器13放在機(jī)械手外形框架上，機(jī)械手外形框架穿在人手臂上，該角速度傳感器13用以感應(yīng)控制端，即人手臂，的姿態(tài)變化，包括角度與加速度，再返回放人機(jī)械臂以做同等工作。
[0014]實(shí)施例由于是在人體手臂事先套上的人體醫(yī)療機(jī)械臂的關(guān)節(jié)處，分別放上加速度與角速度傳感器13，讀取人體機(jī)械臂的姿態(tài)變化，通過(guò)兩塊控制器與無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的同等姿態(tài)變化，克服了現(xiàn)有體感傳感器的姿態(tài)調(diào)節(jié)精度不高，無(wú)法進(jìn)行微處理，生產(chǎn)成本較高等問(wèn)題，在科研，醫(yī)療，救災(zāi)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0015]人體感應(yīng)機(jī)械臂，包括機(jī)械臂套件、機(jī)械手套件和傳感組件。
[0016]機(jī)械臂套件包括依次活動(dòng)連接的肱骨件1、尺骨件2、腕骨件3以及關(guān)節(jié)之間的連接套件；在機(jī)械臂套件的肱骨、尺骨、腕骨處設(shè)置加速度傳感器14，在機(jī)械臂套件的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、橈腕關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)分別設(shè)置角速度傳感器13。
[0017]機(jī)械手套件包括掌骨件4和活動(dòng)連接在掌骨件4上依次設(shè)置的拇指件5、食指件6、中指件7、無(wú)名指件8、小指件9，掌骨件4形成有虎口，拇指件5和食指件6分設(shè)在虎口的兩側(cè)；每個(gè)指件包括依次活動(dòng)連接的近節(jié)指骨件10、中節(jié)指骨件11、遠(yuǎn)節(jié)指骨件12 ;掌骨件
4、近節(jié)指骨件10、中節(jié)指骨件11、遠(yuǎn)節(jié)指骨件12分別設(shè)有加速度傳感器14，掌骨件4、近節(jié)指骨件10、中節(jié)指骨件11、遠(yuǎn)節(jié)指骨件12的活動(dòng)連接處設(shè)有角速度傳感器13。
[0018]首先人體手臂需穿上具質(zhì)輕且不易變形的鋁合金骨節(jié)包括肱骨、尺骨、腕骨骨節(jié)連接處采用具有良好塑性與彈性的不銹鋼或青銅材料制成的機(jī)械臂套件，人手也需帶上具塑性與彈性的機(jī)械手套件。在人體機(jī)械臂套架處安裝六軸傳感器，分別通過(guò)在肱骨、尺骨、腕骨處的傳感器測(cè)出加速度的值，包括方向與大小，通過(guò)在肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、橈腕關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)的傳感器測(cè)出角速度的值，包括方向與大小，即在人體機(jī)械套架上安裝六軸傳感器測(cè)量人體手臂26個(gè)自由度的加速度與角速度。
[0019]然后，通過(guò)姿態(tài)解算器，配合卡爾曼濾波能夠在動(dòng)態(tài)的環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊當(dāng)前的姿態(tài)，姿態(tài)測(cè)量精度0.01度，穩(wěn)定度極高，上述數(shù)據(jù)由主控一 ARM通過(guò)無(wú)線裝置發(fā)送到主控二 ARM，主控二通過(guò)控制相應(yīng)的舵機(jī)完成同步動(dòng)作。
[0020]仿人機(jī)械手按照1:1的比例尺寸制作大小為155*65mm，該機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)是由四個(gè)舵機(jī)構(gòu)成，每個(gè)機(jī)械手指由2個(gè)自由度，本設(shè)計(jì)外形可以最大程度的模擬人手，采用鋁制合金質(zhì)量輕，硬度高。在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)部分特地添加了軸承，尺寸適中，滑順度穩(wěn)定可靠。
[0021]機(jī)械臂套件的框架仿照人手臂大小，有4個(gè)自由度，在每個(gè)鋼制關(guān)節(jié)處放上六軸的傳感器作為其傳輸源載體。
[0022]新型自動(dòng)化機(jī)械臂，通過(guò)在人體機(jī)械套架上安裝六軸傳感器分別測(cè)量出人體手臂26個(gè)自由度的加速度與角速度。建立六軸加速度陀螺儀隨機(jī)時(shí)序模型，一個(gè)二維模型。通過(guò)建立系統(tǒng)模型，確定濾波量，確定預(yù)測(cè)量，確定測(cè)量量，這里的預(yù)測(cè)量就是陀螺儀測(cè)量的數(shù)據(jù)，測(cè)量量就是加速度傳感器14測(cè)量的數(shù)據(jù)。運(yùn)用卡爾曼濾波算法通過(guò)5個(gè)線性方程的遞歸運(yùn)算，消除陀螺儀漂移中的隨機(jī)噪聲，提高精度。
[0023]在對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab分析后，根據(jù)系統(tǒng)的要求制定了姿態(tài)解算器系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，提出硬件與軟件配合的設(shè)計(jì)方案，硬件電路包括MCU電路、電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG電路、UART電路、TOP板等；軟件部分為了達(dá)到姿態(tài)解算器的要求，在軟件CSS開(kāi)發(fā)環(huán)境中用C語(yǔ)言編寫(xiě)了系統(tǒng)主程序，初始化程序，中斷程序，數(shù)據(jù)處理程序坐坐寸寸ο
[0024]通過(guò)該姿態(tài)解算器擬合采集波形，解決克服了現(xiàn)有機(jī)械臂在操作方面精度低、靈活性差等方面的缺點(diǎn)，最大可能地把人的活動(dòng)思想在機(jī)械臂上精確的體現(xiàn)出來(lái)，減少機(jī)械臂的誤操作，應(yīng)用于科研，醫(yī)療等方面。
[0025]以上示意性地對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒(méi)有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明創(chuàng)造的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本專利的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種人體感應(yīng)機(jī)械臂，其特征在于:包括機(jī)械臂套件、機(jī)械手套件和傳感組件； 所述機(jī)械臂套件包括依次活動(dòng)連接的肱骨件、尺骨件、腕骨件以及關(guān)節(jié)之間的連接套件；在機(jī)械臂套件的肱骨、尺骨、腕骨處設(shè)置加速度傳感器，在機(jī)械臂套件的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、橈腕關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)分別設(shè)置角速度傳感器； 所述機(jī)械手套件包括掌骨件和活動(dòng)連接在掌骨件上依次設(shè)置的拇指件、食指件、中指件、無(wú)名指件、小指件，掌骨件形成有虎口，拇指件和食指件分設(shè)在虎口的兩側(cè)；每個(gè)指件包括依次活動(dòng)連接的近節(jié)指骨件、中節(jié)指骨件、遠(yuǎn)節(jié)指骨件；掌骨件、近節(jié)指骨件、中節(jié)指骨件、遠(yuǎn)節(jié)指骨件分別設(shè)有加速度傳感器，掌骨件、近節(jié)指骨件、中節(jié)指骨件、遠(yuǎn)節(jié)指骨件的活動(dòng)連接處設(shè)有角速度傳感器； 角速度傳感器測(cè)出角速度的值，該值包括方向與大小，加速度傳感器測(cè)出加速度的值，該值包括方向與大小，角速度傳感器、加速度傳感器將測(cè)出數(shù)據(jù)均由主控一通過(guò)無(wú)線裝置發(fā)送到主控二，主控二通過(guò)控制相應(yīng)的舵機(jī)完成同步動(dòng)作。
2.如權(quán)利要求1所述的人體感應(yīng)機(jī)械臂，其特征在于:通過(guò)建立系統(tǒng)模型，確定濾波量、預(yù)測(cè)量、測(cè)量量，預(yù)測(cè)量為陀螺儀測(cè)量的數(shù)據(jù)，測(cè)量量為加速度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)；運(yùn)用卡爾曼濾波算法通過(guò)遞歸運(yùn)算，消除陀螺儀漂移中的隨機(jī)噪聲。
3.如權(quán)利要求2所述的人體感應(yīng)機(jī)械臂，其特征在于:由姿態(tài)解算器配合卡爾曼濾波模擬出機(jī)械臂套件、機(jī)械手套件的當(dāng)前姿態(tài)。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述人體感應(yīng)機(jī)械臂，其特征在于:角速度傳感器、加速度傳感器通過(guò)控制器連接仿人機(jī)械臂，該仿人機(jī)械臂按照1:1的比例尺寸制作大小為155*65mm，仿人機(jī)械臂的腕關(guān)節(jié)是由四個(gè)舵機(jī)構(gòu)成，每個(gè)機(jī)械手指有2個(gè)自由度，仿人機(jī)械臂采用鋁制合金制成，在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)部分設(shè)置軸承，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)方面采用SR04的全金屬齒輪舵機(jī)。
5.如權(quán)利要求4所述人體感應(yīng)機(jī)械臂，其特征在于:機(jī)械臂套件、機(jī)械手套件采用不易變形且質(zhì)輕的鈦合金或鋁合金；機(jī)械臂套件的框架仿照人手臂大小，有4個(gè)自由度，在每個(gè)鋼制關(guān)節(jié)處放上六軸的傳感器作為其傳輸源載體。
【文檔編號(hào)】B25J15/10GK104227733SQ201410359459
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】張鵬, 趙藝兵, 王馳, 張?zhí)煊? 蘭智杰 申請(qǐng)人:南京工程學(xué)院