专利名称：基于头部动作的目标物体自动夹持系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于辅助机器人技术领域，具体涉及一种基于头部动作信息的目标物体夹持系统。
背景技术：
随着人们生活水平在不断提高，平均寿命也在不断提高，但是身体的衰老依然在继续没有停止。丧失了四肢行动能力的人越来越多。这些人一旦丧失了四肢运动能力一般就困在了家中，无法出行，甚至无法正常生活，如何 帮助这些人进行正常的生活成为一个很大的问题。传统的解决方法是在医院有专人照顾，或者使用轮椅代替双足进行行走。但是这两种解决方法都出现了各种各样的问题，在医院中专人照顾成本高，效率低，对于没有生命危险的人没有必要，极度限制了病人的自由；使用轮椅代步成本较低，但是也需要有专人推动轮椅使病人出行，如果只有轮椅，病人甚至无法完成取拿物品这样简单的生活必须的动作。而人们对自由活动的需求正在不断提高，对独立完成简单工作的要求逐步提高，普通的辅助方法已经无法辅助人类完成这些，于是出现了辅助残障人类用智能机械装置，比如荷兰科学家研究的“火焰”机器人可以辅助人类行走；上海理工大学生物力学与康复工程研究所研究并申请了专利的重残患者居家及医疗环境无障碍系统，可以实现重度残疾患者能语音实现对门、灯、窗帘、家电/紧急呼叫等主要居家及医疗环境控制需求的系统；西安众泰医疗器械有限公司研发的电动护理床可以帮助病人实现翻身等动作；有机械装置甚至能够辅助残障人类开车(需要上肢可以活动)，但都不具有辅助人类取拿物品的作用，而取拿物品是生活中很平常的活动。常见的辅助四肢障碍人士的方法如下I.基于语音交互的人机接口。语音交互是一种自然的交流方式。利用口令识别和语音合成技术，来实现使用者和机械的语音对话以及对机械的控制。西班牙的SIAM0，中科院自动化所得多模态交互智能轮椅，上海交通大学的升空轮椅等机械采用的均是语音交互的人机接口。但目前的语音交互技术有一定的缺陷，即无法准确的识别人类的命令。人类的发音不同，环境的噪音不同会使这种方法变得失去效果。2.基于生物信号的人际互动。目前包括利用检测肌动电流(EMG)、脑动电流(EEG)以及眼动电流(EOG)来判断使用者的行驶意图，进而控制机械的运动。如Inkuk Moon (因库克穆恩)等人利用探测位于颈部两侧的肩胛提肌的肌动电流捕捉使用着肩膀的动作，来控制轮椅的前进左转，右转运动。但这种方法的缺点是成本太高，无法适用于一般家庭。3.基于摄像技术的头部运动识别，此种识别使得机械变得简单，但是同样的成本变得非常高昂，无法适合一般民众的使用。
发明内容本实用新型的目的是提供一种通过头部运动信息来控制机械手对目标物体进行夹持的系统，解决四肢障碍病人的生活困难，并降低制作成本和使用风险，实现只用头部运动就可以控制机械手实现目标物体夹持的功能。本实用新型通过以下技术方案来实现一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，主要包括有机械手本体与控制模块；所述的机械手本体包括有支座模块、动力模块、手臂模块和夹持模块；所述的动力模块和手臂模块固定在支座模块上，夹持模块安装于手臂模块的端部，动力模块驱动手臂模块进行旋转，夹持模块用于 夹持目标物体；所述的支座模块由底座部分I和脚轮支架2组成，脚轮支架2固定在底座部分I的上表面，脚轮支架2的上端用于安装手臂模块；所述的动力模块由同步轮A3、同步轮B4、同步带5和电机6组成；所述的电机6通过同步轮B4和同步带5带动同步轮A3旋转，脚轮支架2安装在同步轮A3上，跟随同步轮A3 一起旋转，从而实现手臂模块和夹持模块的旋转；所述的手臂模块由大臂7和小臂15组成，其中大臂7的一个端部与脚轮支架2上的铰接孔铰接，大臂7的另一端与小臂15的一个端部铰接，夹持模块固定在小臂15的另一个端部上；所述的手臂模块的大臂7由微动电动推杆AS驱动，实现旋转运动，所述的手臂模块的小臂15由微动电动推杆B9驱动，实现旋转运动；在大臂7和脚轮支架2的铰接处安装有码盘A14，在大臂7和小臂15的铰接处安装有码盘B13，从而实现大臂7和小臂15转动角度的测量；所述的夹持模块由夹持机构10、旋转螺杆11和蜗杆减速电机12组成，蜗杆减速电机12安装在小臂15的前端，驱动夹持机构10整体进行旋转；夹持机构10上的手指AlOl和手指B102与旋转螺杆11反向螺纹连接，并由旋转螺杆11内部自带电机驱动沿旋转螺杆11轴向做相背或相向开合平移，对目标物体进行夹持；旋转螺杆11和蜗杆减速电机12上装有霍尔元件与电流传感器，霍尔元件与电流传感器检测夹持机构10的开合程度；夹持机构10的前端安装有摄像头与测距传感器，摄像头捕捉目标物体的轮廓信息，测距传感器测量夹持机构10与目标物体之间的距离。夹持机构10的前端安装有摄像头与测距传感器，通过摄像头捕捉目标物体的轮廓信息，测距传感器测出夹持机构10与目标物体之间的距离，从而达到自动定位的作用。再经过控制模块规划的抓取路线实现目标物体的抓取。所述的控制模块包括有中央处理器、头部动作信息测量模块、无线发射模块和无线接收模块；所述的头部动作信息测量模块主要由安装在头盔的六自由度惯性测量单元组成，其中包括有加速度传感器和陀螺仪，实现人体头部的动作信息的检测；可选地，控制模块还包括有数字滤波模块，对头部动作信息测量模块测得的头部动作信息进行滤波；所述的无线发射模块将头部动作信息测量模块测得的头部动作信息发送至安装在机械手本体的无线接收模块，无线接收模块将该信息传送至中央处理器，中央处理器对头部动作信息、霍尔元件与电流传感器测得的夹持机构10的开合程度信号、码盘A13和码盘B14测得的大臂7和小臂15转动角度信息进行综合处理，并输出信号到电机6、微动电动推杆AS、微动电动推杆B9、蜗杆减速电机12和旋转螺杆11，进而规划大臂7、小臂15和夹持机构10的动作轨迹，实现目标物体的夹持。本实用新型的工作过程为( I)使用者的头部运动控制夹持机构10瞄准目标，夹持机构10前端的摄像头与测距传感器捕捉目标物体位置信息，并传递至控制模块；(2)头部动作信息测量模块对人体头部的动作信息进行检测，经过滤波后，由无线发射模块发送至无线接收模块；(3)中央处理器对各个信号进行处理，并控制夹持机构10实现目标物体的夹持。本实用新型的有益效果在于( I)使用头部运动来控制夹持机构，实现目标物体的夹持，更方便四肢功能障碍的人群使用；(2)该装置控制指令简单，避免了复杂的操作，大部分需要完成的动作均有装置智能完成；通过摄像头识别图像，实现了对物体的精确识别和对机械的精确控制；通过霍尔元件和电流传感器进行感知力度，使得对机械手力度的精确控制；(3)该装置成本低廉，相比于市面上的各种助残产品更加平民化，适合低收入人群使用，具有较好的市场前景。
图I为机械手本体的结构图图2为控制模块与机械手本体的系统关系框图图3为夹持模块的结构图图中I、底座部分 2、脚轮支架 3、同步轮A 4、同步轮B 5、同步带6、电机 7、大臂8、微动电动推杆A 9、微动电动推杆B 10、夹持机构11、旋转螺杆12、蜗杆减速电机13、码盘A 14、码盘B 15、小臂101、手指A 102、手指B
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行介绍。本实用新型所述的一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，主要包括有机械手本体与控制I吴块；其中机械手本体的结构图如图I所示，包括有支座模块、动力模块、手臂模块和夹持丰吴块；所述的动力模块和手臂模块固定在支座模块上，夹持模块安装于手臂模块的端部，动力模块驱动手臂模块进行旋转，夹持模块用于夹持目标物体；所述的支座模块由底座部分I和脚轮支架2组成，脚轮支架2固定在底座部分I的上表面，脚轮支架2的上端用于安装手臂模块；所述的动力模块由同步轮A3、同步轮B4、同步带5和电机6组成；所述的电机6通过同步轮B4和同步带5带动同步轮A3旋转，脚轮支架2安装在同步轮A3上，跟随同步轮A3 一起旋转，从而实现手臂模块和夹持模块的旋转；所述的手臂模块由大臂7和小臂15组成，其中大臂7的一个端部与脚轮支架2上的铰接孔铰接，大臂7的另一端与小臂15的一个端部铰接，夹持模块固定在小臂15的另一个端部上；所述的手臂模块的由大臂7由微动电动推杆AS驱动，实现旋转运动，所述的手臂模块的小臂15由微动电动推杆B9驱动，实现旋转运动；在大臂7和脚轮支架2的铰接处安装有码盘A14，在大臂7和小臂15的铰接处安装有码盘B13，从而实现大臂7和小臂15转动角度的 测量；图3为夹持模块的结构图，所述的夹持模块由夹持机构10、旋转螺杆11和蜗杆减速电机12组成，蜗杆减速电机12安装在小臂15的前端，驱动夹持机构10整体进行旋转；夹持机构10上的手指AlOl和手指B102与旋转螺杆11反向螺纹连接，并由旋转螺杆11内部自带电机驱动沿旋转螺杆11轴向做相背或相向开合平移，对目标物体进行夹持；旋转螺杆11和蜗杆减速电机12上装有霍尔元件与电流传感器，霍尔元件与电流传感器检测夹持机构10的开合程度；夹持机构10的前端安装有摄像头与测距传感器，摄像头捕捉目标物体的轮廓信息，测距传感器测量夹持机构10与目标物体之间的距离。夹持机构10的前端安装有摄像头与测距传感器，通过摄像头捕捉目标物体的轮廓信息，测距传感器测出夹持机构10与目标物体之间的距离，从而达到自动定位的作用。再经过控制模块规划的抓取路线实现目标物体的抓取。图2为控制模块与机械手本体的系统关系框图，可见本实用新型中所述的控制模块包括有中央处理器、头部动作信息测量模块、无线发射模块和无线接收模块组成；所述的头部动作信息测量模块主要由安装在头盔的六自由度惯性测量单元组成，其中包括有加速度传感器和陀螺仪，实现人体头部的动作信息的检测；可选地，控制模块还包括有数字滤波模块，对头部动作信息测量模块测得的头部动作信息进行滤波；所述的无线发射模块将头部动作信息测量模块测得的头部动作信息发送至安装在机械手本体的无线接收模块，无线接收模块将该信息传送至中央处理器，中央处理器对头部动作信息、霍尔元件与电流传感器测得的夹持机构10的开合程度信号、码盘A13和码盘B14测得的大臂7和小臂15转动角度信息进行综合处理，并输出信号到电机6、微动电动推杆AS、微动电动推杆B9、蜗杆减速电机12和旋转螺杆11，进而规划大臂7、小臂15和夹持机构10的动作轨迹，实现目标物体的夹持。本实用新型的工作过程为( I)使用者的头部运动控制夹持机构10瞄准目标，夹持机构10前端的摄像头与测距传感器捕捉目标物体位置信息，并传递至控制模块；(2)头部动作信息测量模块对人体头部的动作信息进行检测，经过滤波后，由无线发射模块发送至无线接收模块；(3)中央处理器对各个信号进行处理，并控制夹持机构10实现目标物体的夹持。
权利要求1.一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，包括有机械手本体与控制模块，其特征在于 所述的控制模块中的头部动作信息测量模块采集头部动作信息，所述的机械手本体中的摄像头与测距传感器对目标物体进行识别，控制模块中的中央处理器控制机械手本体夹持目标物体； 所述的机械手本体包括有支座模块、动力模块、手臂模块和夹持模块；所述的动力模块和手臂模块固定在支座模块上，夹持模块安装于手臂模块的端部，动力模块驱动手臂模块进行旋转，夹持模块夹持目标物体。
2.如权利要求I所述的一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，其特征在于 所述的支座模块由底座部分(I)和脚轮支架(2 )组成，脚轮支架(2 )固定在底座部分(I)的上表面，脚轮支架(2)的上端安装有手臂模块。
3.如权利要求I所述的一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，其特征在于 所述的动力模块由同步轮A (3)、同步轮B (4)、同步带(5)和电机(6)组成，所述的电机(6)通过同步轮B (4)和同步带(5)带动同步轮A (3)旋转，脚轮支架(2)安装在同步轮A (3)上，跟随同步轮A (3)—起旋转。
4.如权利要求I所述的一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，其特征在于 所述的手臂模块由大臂(7)和小臂(15)组成，其中大臂(7)的一个端部与脚轮支架(2)铰接，大臂(7)的另一端与小臂(15)的一个端部铰接，在小臂(15)的另一个端部固定有夹持丰吴块； 所述的手臂模块的大臂(7)由微动电动推杆A (8)驱动，所述的手臂模块的小臂(15)由微动电动推杆B (9)驱动； 在大臂(7)和脚轮支架(2)的铰接处安装有码盘B (14)，码盘B (14)测量大臂(7)的转动角度；在大臂(7)和小臂(15)的铰接处安装有码盘A (13)，码盘A (13)测量小臂(15)的转动角度。
5.如权利要求I所述的一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，其特征在于 所述的夹持模块由夹持机构(10)、旋转螺杆(11)和蜗杆减速电机(12)组成，蜗杆减速电机(12)安装在小臂(15)的前端，驱动夹持机构(10)整体进行旋转； 夹持机构(10)上的手指A (101)和手指B (102)与旋转螺杆(11)反向螺纹连接，并由旋转螺杆(11)内部自带电机驱动沿旋转螺杆(11)轴向做相背或相向开合平移，对目标物体进行夹持； 旋转螺杆(11)和蜗杆减速电机(12)上装有霍尔元件与电流传感器，霍尔元件与电流传感器检测夹持机构(10)的开合程度； 夹持机构(10)的前端安装有摄像头与测距传感器，摄像头捕捉目标物体的轮廓信息，测距传感器测量夹持机构(10)与目标物体之间的距离。
6.如权利要求I所述的一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，其特征在于 所述的控制模块包括有中央处理器、头部动作信息测量模块、无线发射模块和无线接收模块； 所述的头部动作信息测量模块为安装在头盔上的六自由度惯性测量单元，包括有加速度传感器和陀螺仪，检测人体头部的动作信息。
7.如权利要求6所述的一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，其特征在于 所述的无线发射模块安装在头盔上，将头部动作信息测量模块测得的头部动作信息发送至安装在机械手本体上的无线接收模块，无线接收模块将该信息传送至中央处理器，中央处理器对头部动作信息、霍尔元件与电流传感器测得的夹持机构(10)的开合程度信号、码盘A (13)和码盘B (14)测得的大臂(7)和小臂(15)转动角度信息进行处理，并输出信号到电机(6)、微动电动推杆A (8)、微动电动推杆B (9)、蜗杆减速电机(12)和旋转螺杆(11)，进而驱动大臂(7)、小臂(15)和夹持机构(10)的动作。
8.如权利要求6所述的一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，其特征在于 所述的控制模块还包括有数字滤波模块，对头部动作信息测量模块测得的头部动作信息进行滤波。
专利摘要本实用新型公开了一种基于头部动作的目标物体自动夹持系统，包括有机械手本体与控制模块，所述的控制模块中的头部动作信息测量模块采集头部动作信息，所述的机械手本体中的摄像头与测距传感器对目标物体进行识别，控制模块中的中央处理器控制机械手本体夹持目标物体；所述的机械手本体包括有支座模块、动力模块、手臂模块和夹持模块；所述的动力模块和手臂模块固定在支座模块上，夹持模块安装于手臂模块的端部，动力模块驱动手臂模块进行旋转，夹持模块用于夹持目标物体。本实用新型使用头部运动来控制夹持机构，实现目标物体的夹持，更方便四肢功能障碍的人群使用；并且控制指令简单，成本低廉，具有较好的市场前景。
文档编号A61F4/00GK202568548SQ20122023860
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者张海龙, 耿乙迦, 张先彪, 周威, 赵志超, 杨乐 申请人:吉林大学