一種七自由度仿生體感機械臂的製作方法

2024-03-04 15:55:15 2

本發明屬於機械手臂技術領域，特別涉及一種七自由度仿生體感機械臂。

背景技術：

目前人們已經製作出多種體感機械臂，其中以視頻識別最為常見。在視頻識別方面，這種機械臂編程複雜，開發難度大，而且很難準確識別人手臂運動的空間位置信息；閉環的控制的方式會使機械臂發生震顫；使用直流電機或者步進電機作為執行器，響應速度慢；減速器等其他機械部分的配合使用，增加了設計複雜度，而且由於機械配合等問題運動精度較低。並且整個系統設備比較多，不利於攜帶，應用起來十分不便，且限於專業人員使用。此外現在的機械臂大多是以工業機械臂為主，造價昂貴，廉價的小型機械臂領域缺失，日常生活很難應用到體感機械臂。

隨著高端娛樂的發展，越來越多的地方需要用到小型機械臂；而在遠程醫療、高危拆彈等軍事領域也需要一種可以遠程操控的機械臂來代替人直接執行。七自由度仿生機械臂在結構功能上接近於人類手臂，人們對其的精確度，多自由度，高仿真度要求日益增長。

技術實現要素：

本發明的目的是解決現有機械臂結構複雜，關節較少，難以有效模擬人體手臂的缺陷，提供了一種七自由度仿生體感機械臂。

本發明提供的技術方案為：

一種七自由度仿生體感機械臂，包括：

第一至第七舵機，所述第一至第七舵機通過連接件依次連接，並且相鄰兩個舵機的旋轉軸線相互垂直；

機械爪，其與所述第七舵機連接，通過第七舵機旋轉驅動機械爪張開或夾緊；

慣性系體感系統，其設置在人體手臂上，以檢測人體手臂的運動；

控制器，其與所述慣性系體感系統連接，獲取人體手臂的運動，輸出七路控制信號，控制七個舵機協調運動以實現模擬人體手臂運動；

第一舵機通過肩關節小u型連接件與肩關節t型連接件連接，第二舵機固定在肩關節小u型連接件上，肩關節大u型連接件固定在第二舵機的輸出軸上，通過第一舵機的轉動實現機械臂肩關節繞橫向轉軸旋轉，通過第二舵機的轉動實現機械臂肩關節繞縱向轉軸旋轉；

第三舵機固定在肩關節大u型連接件上，大臂大u型連接件固定在第三舵機的輸出軸上；

第四舵機固定在第二關節大u型連接件上，肘關節大u型連接件固定在第四舵機的輸出軸上，通過第四舵機的旋轉帶動機械臂的大臂和小臂相對平動；

第五舵機固定在小臂大u型連接件上，小臂w型連接件固定在第五舵機的輸出軸上，通過第五舵機的旋轉帶動機械臂的大臂和小臂相對轉動；

第六舵機固定在腕關節小u型連接件上，腕關節小u型連接件通過螺絲固定在小臂w型連接件上，同時腕關節大u型連接件固定在第六舵機的輸出軸上，通過第六舵機的旋轉帶動機械臂構成手腕的相對的轉動自由度。

優選的是，所述慣性系體感系統包括多個六軸加速度計陀螺儀。

優選的是，所述六軸加速度計陀螺儀設置有三個，分別固定在人體的上臂、前臂和手背上。

優選的是，所述慣性系體感系統與控制器通過無線方式進行數據傳輸。

優選的是，所述慣性系體感系統與控制器通過藍牙進行數據傳輸。

本發明的有益效果是：

1、通過多個舵機組合模擬骨骼運動，響應速度快，使用者可以根據實際情況，設定舵機的相對位置，靈活性強。

2、能夠實時跟蹤人手臂骨骼的變化，準確定位人手臂的空間位置，並通過藍牙通信實現人手臂遠程控制機械臂。

3、機械臂操作精度高、靈活性強，通用性好，靈敏度高，多自由度，最大可能地把人的肢體運動在機械臂上精準體現，減少機械臂的誤操作。

附圖說明

圖1為本發明所述的七自由度仿生體感機械臂總體結構示意圖。

圖2為本發明所述的肩關節組件示意圖。

圖3為本發明所述的肩關節t型連接件正視圖。

圖4為本發明所述的肩關節t型連接件側視圖。

圖5為本發明所述的大臂組件示意圖。

圖6為本發明所述的大臂w型連接件正視圖。

圖7為本發明所述的大臂w型連接件側視圖。

圖8為本發明所述的肘關節組件示意圖。

圖9為本發明所述的肘關節小u型連接件示意圖。

圖10為本發明所述的肘關節大u型連接件示意圖。

圖11為本發明所述的腕關節示意圖。

圖12為本發明所述的腕關節大u型連接件示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

本發明提供了一種七自由度仿生體感機械臂，包括慣性系體感系統以及執行機構。

所述慣性系體感系統包括三個mpu6050六軸加速度計陀螺儀，mpu6050內部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，結合mpu6050自帶的數字運動處理器即dmp，可以直接向單片機輸出四元數，同時三個mpu6050組成的慣性系體感能準確定位人手臂空間位置，極大提高了整體的精確度。

執行機構包括rds3115舵機，rds3115是一款大扭矩數字舵機，響應迅速，對不同佔空比的pwm信號它能保持一個相應的角位移。

三個mpu6050六軸加速度計陀螺儀分別固定在上臂、前臂和手背上，通過調用mpu6050自帶的數字運動處理器——dmp，將原始數據直接轉換成四元數quat[0]、quat[1]、quat[2]、quat[3]輸出，而dmp輸出的四元數是q30格式的，也就是浮點數放大了2的30次方倍。在換算成歐拉角之前，必須先將其轉換為浮點數，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

單片機再進行歐拉角計算，計算公式為：

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

得到每一個mpu6050定位的該部分手臂的俯仰角(pitch)、橫滾角(roll)和航向角(yaw)。

其中q30是一個常量：1073741824，即2的30次方。上述計算公式的57.3是弧度轉換為角度，即180/π，這樣得到的結果就是以度(°)為單位的。

通過藍牙通信技術，將三個傳感器的歐拉角傳給機械臂端主控設備，控制機械臂做出相應反應，實現機械臂與傳感器通信。該主控設備能夠通過藍牙裝置接收傳感器端的歐拉角數據，並對每一個舵機單獨輸出pwm進行控制，使多個舵機協調運動以達到模擬人手運行的目的。

如圖1所示，所述七自由度仿生體感機械臂包括七個舵機，分別為第一舵機1、第二舵機2、第三舵機3、第四舵機4、第五舵機5、第六舵機6以及第七舵機7。還包括八個u型連接件，兩個w形連接件，肩關節t型連接件9和機械爪組件19。

第一舵機1與第二舵機2旋轉軸線相互垂直，第二舵機2與第三舵機3旋轉軸線相互垂直，第三舵機3與第四舵機4旋轉軸線相互垂直，第四舵機4與第五舵機5旋轉軸線相互垂直，第五舵機5與第六舵機6旋轉軸線相互垂直，第六舵機6與第七舵機7旋轉軸線相互垂直。

如圖1-圖4所示，第一舵機1通過肩關節小u型連接件8和肩關節t型連接件9連接，通過第一舵機1的轉動完成肩關節x軸方向的運動。

第二舵機2固定在肩關節小u型連接件8上，同時肩關節大u型連接件10固定在第二舵機2的輸出軸上，通過第二舵機2的旋轉帶動機械臂完成肩關節y軸方向的運動。

如圖1、圖5、圖6、圖7所示，第三舵機3固定在肩關節大u型連接件10上，同時大臂大u型連接件11固定在第三舵機3的輸出軸上，通過第三舵機3的旋轉帶動機械臂構成肩關節轉動自由度；以上構成肩關節的兩個平動自由度和一個轉動自由度。

如圖1、圖8、圖9、圖10所示，第四舵機4固定在大臂大u型連接件11上，同時肘關節大u型連接件14固定在第四舵機4的輸出軸上，通過第四舵機4的旋轉帶動機械臂構成大臂和小臂相對的平動自由度；第五舵機5固定在小臂大u型連接件15上，同時小臂w型連接件16固定在第五舵機5的輸出軸上，通過第五舵機5的旋轉帶動機械臂構成大臂和小臂相對的轉動自由度。

如圖1、圖11、圖12所示，第六舵機6固定在腕關節小u型連接件17上，腕關節小u型連接件17通過螺絲固定在小臂w型連接件16上，同時腕關節大u型連接件18固定在第六舵機6的輸出軸上，通過第六舵機6的旋轉帶動機械臂構成手腕的相對的轉動自由度。

機械爪組件19通過螺釘與腕關節大u型連接件18固定，第七舵機7與機械爪通過螺釘固連，通過槓桿機構控制機械爪19夾持與鬆開，構成機械爪19的平面自由度。

機械手臂與固定支座連接，固定支座用於將機械手臂垂直固定。

使用時，接通電源，手臂垂直在身側，同時機械臂舵機復位，回到初始設定的位置，完成整個系統的初始化。此後，手臂正常運動，手臂端的stm32同時計算出三個mpu6050加速度計陀螺儀傳感器的歐拉角，通過藍牙通信模塊hc-06將歐拉角傳給機械臂端的kl26單片機，控制輸出七路pwm控制七個舵機完成模擬手臂動作。

本發明提供的機械臂部分採用擬人設計原則，包括肩部、肘部、腕部共七個自由度，因而七個數字舵機使它具有極高的靈活性；舵機和針對不同部位設計的連接件連接後和人手比例相近，有很高的仿真度。此外整體造價低廉。

儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡所示出與描述的圖例。