本發(fā)明屬于機械手臂技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種七自由度仿生體感機械臂。

背景技術(shù)：

目前人們已經(jīng)制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，這種機械臂編程復雜，開發(fā)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(huán)的控制的方式會使機械臂發(fā)生震顫；使用直流電機或者步進電機作為執(zhí)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(shè)計復雜度，而且由于機械配合等問題運動精度較低。并且整個系統(tǒng)設(shè)備比較多，不利于攜帶，應用起來十分不便，且限于專業(yè)人員使用。此外現(xiàn)在的機械臂大多是以工業(yè)機械臂為主，造價昂貴，廉價的小型機械臂領(lǐng)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(fā)展，越來越多的地方需要用到小型機械臂；而在遠程醫(yī)療、高危拆彈等軍事領(lǐng)域也需要一種可以遠程操控的機械臂來代替人直接執(zhí)行。七自由度仿生機械臂在結(jié)構(gòu)功能上接近于人類手臂，人們對其的精確度，多自由度，高仿真度要求日益增長。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有機械臂結(jié)構(gòu)復雜，關(guān)節(jié)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(fā)明提供的技術(shù)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，并且相鄰兩個舵機的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)驅(qū)動機械爪張開或夾緊；

慣性系體感系統(tǒng)，其設(shè)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(tǒng)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(xié)調(diào)運動以實現(xiàn)模擬人體手臂運動；

第一舵機通過肩關(guān)節(jié)小u型連接件與肩關(guān)節(jié)t型連接件連接，第二舵機固定在肩關(guān)節(jié)小u型連接件上，肩關(guān)節(jié)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(zhuǎn)動實現(xiàn)機械臂肩關(guān)節(jié)繞橫向轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，通過第二舵機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機械臂肩關(guān)節(jié)繞縱向轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；

第三舵機固定在肩關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)大u型連接件上，肘關(guān)節(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)帶動機械臂的大臂和小臂相對轉(zhuǎn)動；

第六舵機固定在腕關(guān)節(jié)小u型連接件上，腕關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(zhuǎn)帶動機械臂構(gòu)成手腕的相對的轉(zhuǎn)動自由度。

優(yōu)選的是，所述慣性系體感系統(tǒng)包括多個六軸加速度計陀螺儀。

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

優(yōu)選的是，所述慣性系體感系統(tǒng)與控制器通過無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

優(yōu)選的是，所述慣性系體感系統(tǒng)與控制器通過藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)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(jù)實際情況，設(shè)定舵機的相對位置，靈活性強。

2、能夠?qū)崟r跟蹤人手臂骨骼的變化，準確定位人手臂的空間位置，并通過藍牙通信實現(xiàn)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(xiàn)，減少機械臂的誤操作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的七自由度仿生體感機械臂總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的肩關(guān)節(jié)組件示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的肩關(guān)節(jié)t型連接件正視圖。

圖4為本發(fā)明所述的肩關(guān)節(jié)t型連接件側(cè)視圖。

圖5為本發(fā)明所述的大臂組件示意圖。

圖6為本發(fā)明所述的大臂w型連接件正視圖。

圖7為本發(fā)明所述的大臂w型連接件側(cè)視圖。

圖8為本發(fā)明所述的肘關(guān)節(jié)組件示意圖。

圖9為本發(fā)明所述的肘關(guān)節(jié)小u型連接件示意圖。

圖10為本發(fā)明所述的肘關(guān)節(jié)大u型連接件示意圖。

圖11為本發(fā)明所述的腕關(guān)節(jié)示意圖。

圖12為本發(fā)明所述的腕關(guān)節(jié)大u型連接件示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

本發(fā)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(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)。

所述慣性系體感系統(tǒng)包括三個mpu6050六軸加速度計陀螺儀，mpu6050內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，結(jié)合mpu6050自帶的數(shù)字運動處理器即dmp，可以直接向單片機輸出四元數(shù)，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(zhí)行機構(gòu)包括rds3115舵機，rds3115是一款大扭矩數(shù)字舵機，響應迅速，對不同占空比的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(diào)用mpu6050自帶的數(shù)字運動處理器——dmp，將原始數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)quat[0]、quat[1]、quat[2]、quat[3]輸出，而dmp輸出的四元數(shù)是q30格式的，也就是浮點數(shù)放大了2的30次方倍。在換算成歐拉角之前，必須先將其轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，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(zhuǎn)換為角度，即180/π，這樣得到的結(jié)果就是以度(°)為單位的。

通過藍牙通信技術(shù)，將三個傳感器的歐拉角傳給機械臂端主控設(shè)備，控制機械臂做出相應反應，實現(xiàn)機械臂與傳感器通信。該主控設(shè)備能夠通過藍牙裝置接收傳感器端的歐拉角數(shù)據(jù)，并對每一個舵機單獨輸出pwm進行控制，使多個舵機協(xié)調(diào)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(guān)節(jié)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(zhuǎn)軸線相互垂直，第二舵機2與第三舵機3旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，第三舵機3與第四舵機4旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，第四舵機4與第五舵機5旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，第五舵機5與第六舵機6旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，第六舵機6與第七舵機7旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直。

如圖1-圖4所示，第一舵機1通過肩關(guān)節(jié)小u型連接件8和肩關(guān)節(jié)t型連接件9連接，通過第一舵機1的轉(zhuǎn)動完成肩關(guān)節(jié)x軸方向的運動。

第二舵機2固定在肩關(guān)節(jié)小u型連接件8上，同時肩關(guān)節(jié)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(zhuǎn)帶動機械臂完成肩關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(zhuǎn)帶動機械臂構(gòu)成肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動自由度；以上構(gòu)成肩關(guān)節(jié)的兩個平動自由度和一個轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)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(zhuǎn)帶動機械臂構(gòu)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(zhuǎn)帶動機械臂構(gòu)成大臂和小臂相對的轉(zhuǎn)動自由度。

如圖1、圖11、圖12所示，第六舵機6固定在腕關(guān)節(jié)小u型連接件17上，腕關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(zhuǎn)帶動機械臂構(gòu)成手腕的相對的轉(zhuǎn)動自由度。

機械爪組件19通過螺釘與腕關(guān)節(jié)大u型連接件18固定，第七舵機7與機械爪通過螺釘固連，通過杠桿機構(gòu)控制機械爪19夾持與松開，構(gòu)成機械爪19的平面自由度。

機械手臂與固定支座連接，固定支座用于將機械手臂垂直固定。

使用時，接通電源，手臂垂直在身側(cè)，同時機械臂舵機復位，回到初始設(shè)定的位置，完成整個系統(tǒng)的初始化。此后，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(fā)明提供的機械臂部分采用擬人設(shè)計原則，包括肩部、肘部、腕部共七個自由度，因而七個數(shù)字舵機使它具有極高的靈活性；舵機和針對不同部位設(shè)計的連接件連接后和人手比例相近，有很高的仿真度。此外整體造價低廉。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里所示出與描述的圖例。