仿生跟随机械手臂的制作方法

本实用新型涉及一种感知假肢，尤其涉及一种仿生跟随机械手臂。

背景技术：

机械手研究始于20世纪中期,近年来计算机和自动化技术的发展，为机器人的开发奠定了基础。1954年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，概念的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现，现有的机器人差不多都采用这种控制方式，而且一般有6个自由度，自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

不管是对于工业机械手来说，还是医学上或者其他领域的机械手，我国都还没有达到先进水平，现有的机械手不能对实际情况进行反馈和传感。近年来，这项技术的研究和发展一直保持着比较快速的发展势头，这种产品也是在不断的完善和修改，品种和性能也是在不断的增加，运用领域方面也在不断的扩大。

仿生学是近期发展起来的一门新兴学科，它的发展促进了与之密切相关的仿生机械学的诞生和发展。核能技术的研究要求某些操作机械手代替人处理放射性物质，还有一些十分危险的行业，例如拆弹。

目前，医学领域的假肢大致有两种，装饰性假肢与实用性假肢。肌电控制上臂假肢有二自由度和三自由度之分，二自由度的为手的开闭、肘的屈伸主动控制，三自由度的为手的开闭、腕的屈伸(或旋转)、肘的屈伸主动控制。装配的前提条件是必须有不同的肌电信号用于控制手部装置和肘关节的活动，由于自由度越多，越难利用明显不同的肌电信号进行控制，越容易出现误动作，所以多数患者是安装二自由度的肌电假肢。

现有机械手存在不易操作，动作不灵敏，手掌和手臂信息采集不准确，驱动电压高的问题。

技术实现要素：

本实用新型针对上述现有技术中存在的不足，提供一种仿生跟随机械手臂。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种仿生跟随机械手臂，包括数据信号传递装置、手臂、手掌和执行系统，执行系统包括32位舵机控制板、舵机和舵机供电电源模块，舵机供电电源模块给32位舵机控制板和舵机供电；数据信号传递装置将操作数据传递给32位舵机控制板并接收32位舵机控制板执行完的反馈信息，32位舵机控制板发出PWM方波信号给舵机，舵机为八个，分别用于驱动手掌和手臂关节，屏幕用于显示STM32F103ZET6微控制器模块处理后的信息。

优选的，数据信号传递装置包括感知手套、控制系统和屏幕，控制系统包括STM32F103ZET6微控制器模块、直线滑动变阻器、6050陀螺仪和控制系统供电模块，控制系统供电模块给控制系统供电并以电源共地的方式和舵机供电电源模块相连，直线滑动变阻器和6050陀螺仪安装在感知手套上，直线滑动变阻器用于采集手指弯曲信息，6050陀螺仪用于采集手臂和手掌动作信息，舵机安装在手臂和手掌上用于执行手臂和手掌的弯曲和移动，直线滑动变阻器和6050陀螺仪将采集的信息传递给STM32F103ZET6微控制器模块，STM32F103ZET6微控制器模块将处理后的控制信号传递给32位舵机控制板并接收32位舵机控制板执行完的反馈信息，32位舵机控制板发出PWM方波信号给舵机，舵机为八个，分别用于驱动手指和手臂关节，屏幕用于STM32F103ZET6微控制器模块处理后的信息显示。

优选的，数据信号传递装置是电脑运动数据操控程序。

优选的，舵机为270°双轴舵机、270°单轴舵机或180°单轴舵机。

优选的，手臂由亚克力板制成。

优选的，手掌利用光敏树脂作为材料光固化凝固成型。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

仿生跟随机械手臂模仿人手臂的某些动作功能，按照固定程序抓取、搬运物件或操作工具的感知操作装置，替代人工解决一些繁琐危险的工作，从而降低人力作业的危险性，减少事故的发生。具体的，仿生跟随机械手臂具有如下优点：

(1)自重轻：本作品手臂部分由亚克力板制作，比普通玻璃轻一半，从而延长舵机寿命。手掌部分由3D打印而成结构新颖。

(2)处理速度快：采用32位高速CPU，处理速度更快，控制更精确，运行更稳定，产品性能强大。

(3)准确性高：感知手套与人手紧密贴合，弯曲度传感器误差小，能准确完成每个动作。

(4)实时性：通过液晶屏观察感知到的数据，可以及时对信息作出调整。

附图说明

图1为本实用新型实施例一工作原理框图；

图2为本实用新型实施例二工作原理框图；

图3为本实用新型信息采集电路和舵机控制电路图；

图4为本实用新型稳压电路和JTAG下载电路图；

图5为本实用新型串口电平转化电路图；

图6为本实用新型lcd屏幕显示电路图；

图7为本实用新型芯片运行电路图；

图8为图7的A部分电路图；

图9为图7的B部分电路图；

图10为图7的C部分电路图；

图11为图7的D部分电路图；

图12为图7的E部分电路图；

图13为图7的F部分电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施方式一

一种仿生跟随机械手臂，包括数据信号传递装置、手臂、手掌和执行系统，数据信号传递装置包括感知手套、控制系统和屏幕，执行系统包括32位舵机控制板、舵机和舵机供电电源模块，舵机供电电源模块给32位舵机控制板和舵机供电；数据信号传递装置将操作数据传递给32位舵机控制板并接收32位舵机控制板执行完的反馈信息，32位舵机控制板发出PWM方波信号给舵机，屏幕用于显示STM32F103ZET6微控制器模块处理后的信息。控制系统包括STM32F103ZET6微控制器模块、直线滑动变阻器、6050陀螺仪和控制系统供电模块，控制系统供电模块给控制系统供电并以电源共地的方式和舵机供电电源模块相连，直线滑动变阻器和6050陀螺仪安装在感知手套上，直线滑动变阻器用于采集手指弯曲信息，6050陀螺仪用于采集手臂和手掌动作信息，舵机安装在手臂和手掌上用于执行手臂和手掌的弯曲和移动，直线滑动变阻器和6050陀螺仪将采集的信息传递给STM32F103ZET6微控制器模块，STM32F103ZET6微控制器模块将处理后的控制信号传递给32位舵机控制板并接收32位舵机控制板执行完的反馈信息，32位舵机控制板发出PWM方波信号给舵机，舵机为八个，分别用于驱动手指和手臂关节。舵机使用270°双轴舵机。手臂由亚克力板打造而成，亚克力具有透明度极佳，耐候性优良，既适合机械加工又易热成型的特性，可塑性极强，自重轻，比普通玻璃轻一半，舵机及支架承受的重量小，从而延长舵机寿命。机械手臂的手掌部分是利用光固化技术打印而成的，立体光固化成型工艺(Stereolithography Apparatus，SLA)以光敏树脂作为材料，在计算机的控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让其逐层凝固成型，SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型。

实施方式二

该实施方式与实施方式一不同之处在于：数据信号传递装置是电脑运动数据操控程序。

工作原理：

数据信号传递装置进行数据采集或者编程，经STM32F103ZET6进行数据转换和串口通信并产生与之相对应的脉冲信号，舵机控制板接收脉冲信号，分析占空比，控制舵机转动不同的角度，驱动手臂上下、前后自由运动，使手臂更加灵活，完成对应的动作，实现机械臂与人臂的同步运动。因为舵机是大功率器件舵机，电源不能使用USB供电，舵机控制板需要两个电源，舵机电源和芯片电源，芯片电源可以通过USB由电脑供电，如果使用USB供电很可能会烧坏电脑以及32路舵机控制板。

6050陀螺仪检测到手掌和手臂动作信息，以IIC的通讯方式将数据发送给单片机，单片机STM32F103ZET6进行数据处理并在屏幕显示处理后的信息，其中包括手掌角度和手指弯曲程度数据。单片机STM32F103ZET6将处理后的控制信号传递至32位舵机控制板，32位舵机控制板接收脉冲信号，分析占空比，控制舵机转动不同的角度，驱动手臂上下、前后自由运动，使手臂更加灵活，完成对应的动作，实现机械臂与人臂的同步运动，32位舵机控制板把执行后的结果反馈给单片机STM32F103ZET6。

电路工作原理图：直线滑动变阻器安装在感知手套上，手指弯曲改变电压当量，单片机STM32F103ZET6将电压量转换成数字量进行处理。直线滑动变阻器对感知到的弯曲信号进行模数转换，输入一个信号模拟量(比如电压信号)，输出一个与模拟量相对应的数字量(常为二进制形式)，参考电压VREF为5V，采用8位的模数转换器，当输入电压为0时，输出的数字量0000 0000，当输入的电压为5V时，输出的数字量为1111 1111。当输入的电压从0V到5V变化时，输出的数字量从0000 0000到1111 1111变化。这样每个输入电压值对应一个输出数字量，即实现了模数转换。将转换过的数据传输给单片机，在串行通信中，数据在1位宽的单条线路上进行传输，一个字节的数据要分为8次，由低位到高位按顺序一位一位的进行传送。串行通信的数据是逐位传输的，发送方发送的每一位都具有固定的时间间隔，接收方按照发送方同样的时间间隔来接收每一位，从而控制机械臂精确动作。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。