一种基于IPv6网络的远程机械臂控制系统的制作方法

本实用新型涉及基于IPv6网络的远程机械臂控制系统领域，更具体地说，涉及一种基于IPv6网络的远程机械臂控制系统。

背景技术：

目前，很多高危作业的工作仍由人们亲自去执行，这样就避免不了一些安全事故和经济损失的发生，例如，在全世界死亡率最高的十大职业中，拆弹专家高居榜首，数据统计结果显示，目前世界各地还遗留有1亿多枚战时未爆地雷，每年约有1.5万人到2万人因触雷致残或者死亡，随着炸弹制作技术的不断复杂化，如何能够保证生命财产安全的同时拆除炸弹是一个亟需解决的世界性难题，此外，随着人类对外太空不断探索，太空设施的增多，太空维修任务也逐渐增多，目前为止这样的任务都需要宇航员出舱完成，而太空行走需要诸多的特殊技术支持，由于出舱后面临可低至-200摄氏度的低温环境以及辐射和真空等恶劣的太空环境，以及不同机械故障带来的不同困难和人为的操作失误，这些都将带来一些不可预知的危险，其造成的损失也是巨大的，因此如果有一个易于远程操控，精度较高的机器人来替代人类完成这类危险任务，在安全问题无后顾之忧的前提下，以上的问题也都可以迎刃而解。

此外，随着工业生产的不断发展，实现智能化生产，智能化管理是将是必然的发展趋势，基于网络的远程可控制智能设备是工业生产智能制造中的重要需求，兰州大学所处的西部地区蕴藏着我国大量的金属、矿藏资源，尤其是近年来诸如光伏、风力等新能源的发展速度很快，但是通常这类工业生产环境存在地广人稀，各个监控管理站点距离较远，数据采集，工业控制存在一定困难，利用基于网络的远程可控制智能化设备有望解决上述困难，实现无人值守智能管理，从而提高生产效率，降低生产中的安全风险。

国内现阶段基于网络的远程控制的机械设备较少，且通常不能支持IPv6协议，相比于IPv4，IPv6具有更大的地址空间，可解决IP地址不足及地址转换后连接性和安全等一系列问题，由于IPv6的地址长度为128位，可使用更小的路由表，从而提高了路由器转发数据包的速度，IPv6增强了组播支持以及对流的支持，为服务质量控制提供了良好网络平台，此外，IPv6具有更高的安全性，使用IPv6网络用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，由于IPv6允许扩充，可适应新技术、新应用的需求，因此，为了大规模使用无人职守的智能机械设备，保证安全操作，基于IPv6网络协议的远程控制系统显然更具优势。

技术实现要素：

1、要解决的技术问题

针对现有技术存在的远程机械臂操作不方便、操作效率低和远程网络不安全的问题，本实用新型目的在于提供一种基于IPv6网络的远程机械臂控制系统，它可以实现远程方便安全地操作机械臂，且效率高，延时低。

2、技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于IPv6网络的远程机械臂控制系统，包括机械臂、上位机、下位机和Leap Motion传感器，机械臂包括设于底端的支撑台，支撑台上通过螺栓连接有支架，支架一侧连接有左舵机，且支架另一侧连接有右舵机，支架中间连接有大臂和小臂连杆，小臂连杆包括固定段、中间段和末段，固定段固定连接支架，中间段一端转动连接固定段，且中间段另一端转动连接末段一端，末段另一端转动连接有连接杆，连接杆转动连接有爪舵机，末段中间与大臂转动连接，大臂转动连接小臂，小臂通过连接杆连接爪舵机，爪舵机的下端连接有抓手，且爪舵机的前端连接有摄像头，摄像头内连接有蓝牙模块，摄像头通过蓝牙信号连接下位机，下位机与爪舵机电性连接，且下位机通过网络信号连接上位机，上位机电性连接Leap Motion传感器，通过Leap Motion传感器可以实时检测操作者手掌手指位置的变化，Leap Motion传感器将检测的操作者手掌手指位置变化信息传输至上位机，上位机用来将手势数据帧解算，然后通过网络传输至远处的下位机，下位机根据手势与机械臂动作的映射关系算法，将操作者的手势数据转化为机械臂舵机所需的驱动信号，并通过下位机输出PWM信号来驱动机械臂的舵机，机械臂中的支撑台用来固定支撑臂，同时为机械臂增加配重，使机械臂在操作时候更加稳定，大臂和小臂下端连接的支架起到稳定作用，三段式的小臂连杆使小臂操作更加灵活，大臂转动连接小臂连杆，对小臂起到支撑作用，舵机用来接收下位机发出的PWM信号同时来驱动机械臂操作，抓手用来操作动作，并通过摄像头采集操作实时画面，经下位机传输至上位机，便于操作者实时了解情况。

优选地，下位机为STM32 32位ARM微控制器，下位机嵌入连接在爪舵机内，利用微控制器且将微控制器嵌入连接在爪舵机内，实现精简结构的目的，且可以便利地将机械臂和下位机同时移动至所需操作位置，便于使用。

优选地，蓝牙模块采用蓝牙2.0信号，增强信号传输的稳定性，减少操作失误和延时。

优选地，下位机与上位机之间联络网络为IPv6网络信号，减少数据传输的延时，增强数据传输的安全性。

3、有益效果

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

（1）通过Leap Motion传感器可以实时检测操作者手掌手指位置的变化，Leap Motion传感器将检测的操作者手掌手指位置变化信息传输至上位机，上位机用来将手势数据帧解算，然后通过网络传输至远处的下位机，下位机根据手势与机械臂动作的映射关系算法，将操作者的手势数据转化为机械臂舵机所需的驱动信号，并通过下位机输出PWM信号来驱动机械臂的舵机，机械臂中的支撑台用来固定支撑臂，同时为机械臂增加配重，使机械臂在操作时候更加稳定，大臂和小臂下端连接的支架起到稳定作用，三段式的小臂连杆使小臂操作更加灵活，大臂转动连接小臂连杆，对小臂起到支撑作用，舵机用来接收下位机发出的PWM信号同时来驱动机械臂操作，抓手用来操作动作，并通过摄像头采集操作实时画面，经下位机传输至上位机，便于操作者实时了解情况。

（2）利用微控制器且将微控制器嵌入连接在爪舵机内，实现精简结构的目的，且可以便利地将机械臂和下位机同时移动至所需操作位置，便于使用。

（3）增强信号传输的稳定性，减少操作失误和延时。

（4）减少数据传输的延时，增强数据传输的安全性。

附图说明

图1为本实用新型的系统原理图；

图2为本实用新型中的机械臂的结构示意图。

图中：1机械臂、2上位机、3下位机、4 Leap Motion传感器、5支撑台、6支架、7左舵机、8右舵机、9大臂、10小臂连杆、11固定段、12中间段、13末段、14抓手、15小臂、16连接杆、17爪舵机。

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。

实施例：

请参阅图1-2所示，一种基于IPv6网络的远程机械臂1控制系统，包括机械臂1、上位机2、下位机3和Leap Motion传感器4，机械臂1包括设于底端的支撑台5，支撑台5上通过螺栓连接有支架6，支架6一侧连接有左舵机7，且支架6另一侧连接有右舵机8，支架6中间连接有大臂9和小臂连杆10，小臂连杆10包括固定段11、中间段12和末段13，固定段11固定连接支架6，中间段12一端转动连接固定段11，且中间段12另一端转动连接末段13一端，末段13另一端转动连接有连接杆16，连接杆16转动连接有爪舵机17，末段13中间与大臂9转动连接，大臂9转动连接小臂15，小臂15通过连接杆16连接爪舵机17，爪舵机17的下端连接有抓手14，且爪舵机17的前端连接有摄像头，摄像头内连接有蓝牙模块，摄像头通过蓝牙信号连接下位机3，下位机3与爪舵机17电性连接，且下位机3通过网络信号连接上位机2，上位机2电性连接Leap Motion传感器4，通过Leap Motion传感器4可以实时检测操作者手掌手指位置的变化，Leap Motion传感器4将检测的操作者手掌手指位置变化信息传输至上位机2，上位机2用来将手势数据帧解算，然后通过网络传输至远处的下位机3，下位机3根据手势与机械臂1动作的映射关系算法，将操作者的手势数据转化为机械臂1舵机所需的驱动信号，并通过下位机3输出PWM信号来驱动机械臂1的舵机，机械臂1中的支撑台5用来固定支撑臂，同时为机械臂1增加配重，使机械臂1在操作时候更加稳定，大臂9和小臂15下端连接的支架6起到稳定作用，三段式的小臂连杆10使小臂15操作更加灵活，大臂9转动连接小臂连杆10，对小臂15起到支撑作用，舵机用来接收下位机3发出的PWM信号同时来驱动机械臂1操作，抓手14用来操作动作，并通过摄像头采集操作实时画面，经下位机3传输至上位机2，便于操作者实时了解情况。

其中，下位机3为STM32 32位ARM微控制器，下位机3嵌入连接在爪舵机17内，利用微控制器且将微控制器嵌入连接在爪舵机17内，实现精简结构的目的，且可以便利地将机械臂1和下位机3同时移动至所需操作位置，便于使用，机械臂1包括六自由度，使机械臂1操作更加灵活，可以更好的执行操作者的手部动作，蓝牙模块采用蓝牙2.0信号，增强信号传输的稳定性，减少操作失误和延时，下位机3与上位机2之间联络网络为IPv6网络信号，减少数据传输的延时，增强数据传输的安全性。

工作原理：

手势识别系统的研究与开发：手势识别对于本系统来说是首要目标，其精度和鲁棒性是决定整个系统能否正常而稳定工作的关键，Leap Motion传感器4采集得到的数据帧需要进行解析和转换后才可以有效控制机械臂1，因此，首先通过Leap Motion传感器4采集手势信号，然后在上位机2上将手势数据帧解算，然后将解算的手势数据传输至下位机3，下位机3根据手势与机械臂1动作的映射关系算法，计算出机械臂1的舵机驱动信号，其中，手势识别系统对于手势动作的识别需要精确，且对于不同的手势信号需要能明确区分，此外，不同人的手做完全相同的动作时，可产生基本一样的信号，即手势识别具有一定的鲁棒性，最后，将手势识别的数据通过控制算法转换为机械臂1舵机所需要的控制信号，再通过下位机3接收到的舵机控制信号转化为PWM信号来驱动机械臂1的舵机。

嵌入式的下位机3接收到控制信号之后，需实时将驱动信号发送给机械臂1的六个舵机控制其工作，其中下位机3采用STM32F407ZE系列芯片，通过串口通信接收上位机2控制指令，下位机3将接收到的机械臂1驱动信号转化为多路PWM信号来驱动电机，完成相应工作的软硬件开发，此外，建立一个六维度的带夹持器的机械手臂后，通过上述嵌入式系统的设计完成对其的自动控制。

数据的远程传输是基本保障，需要通过网络对无人值守设备处的影像进行采集，从而使用户可以根据现场情况完成远程监控与控制，此外，用户的手势动作控制数据需要通过网络传输至下位机3，因此，将基于IPv6网络来完成上述数据传输，首先需要分配IPv6的地址，选择适合的通信模式和连接方式，完成IPv6 Qos、IPv6组播、IPv6安全部署，然后，根据设计方案，完成基于IPv6的数据传输软硬件系统的设计与实现，所实现系统的目的是完成实时的远程控制，这样对IPv6数据传输系统的数据延迟要求较高，通过针对性的设计与优化，降低网络对于图像数据和控制数据造成的延迟，将数据的延迟控制在毫秒级。

系统的建立包括以下步骤：

S1：分配IPv6的地址，完成IPv6 Qos、IPv6组播和IPv6安全部署。

S2：通过Leap Motion传感器4采集手势信号并传输至上位机2，通过上位机2将手势数据帧解算。

S3：上位机2将解算后的手势数据通过IPv6网络传输至下位机3，下位机3根据手势与机械臂1动作的映射关系算法，计算出机械臂1的舵机驱动信号，然后将手势识别的数据通过控制算法转换为机械臂1舵机所需要的控制信号，再通过下位机3将接收到的舵机控制信号转化为PWM信号来驱动机械臂1的舵机，其中，使用时先将支撑台5固定在工作区域，使机械臂1在操作时候更加稳定，大臂9和小臂15下端连接的支架6起到稳定作用，大臂9转动连接小臂连杆10，对小臂15起到支撑作用，爪舵机17接收下位机3发出的PWM信号，驱动抓手14操作，操作者通过摄像头采集的实时画面操作抓手14动作，便于操作者实时了解情况。

以上所述，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改进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内。