基本信息
- 項目名稱：
- 基于外骨骼控制的機械手臂
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 自行設(shè)計和制作人體關(guān)節(jié)活動傳感器附在人的手臂上，從而達到控制龍人機械臂，完成各個關(guān)節(jié)的基本活動，完成抓取目標的任務(wù)。
- 詳細介紹：
- 基于外骨骼控制的機械手臂 ------外骨骼機械臂的制作與控制 中文摘要： 自行設(shè)計和制作人體關(guān)節(jié)活動傳感器附在人的手臂上，人體關(guān)節(jié)傳感器主要是針對手臂的5個重要關(guān)節(jié)，分別是手指、腕部、肘部、肩部、背部。同時也與機械臂的各個部位一一對應(yīng)。從而達到控制機械臂，完成各個關(guān)節(jié)的基本活動，進一步就是提高控制的機械臂精度，完成抓取和移動質(zhì)量較輕的目標物體的任務(wù)。在現(xiàn)實生活中的意義，比如移動一些對身體有害的物質(zhì)。像炸彈，放射性元素等對人體有害的物體。實驗方法是直接帶在人的身體手臂上測試數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)。 【摘要】和【關(guān)鍵詞】： 機械臂;人體關(guān)節(jié)傳感器;龍丘MC9S12XS128;多圈可調(diào)電阻 【前言】： 在與自然界的長期斗爭中，人類個體由于受自身條件的限制顯然處于極為不利的地位，人類迫切的希望能夠通過某種方式提高人類個體的能力。古代士兵所穿著的盔甲可以認為是人類歷史上最早的外骨骼，盡管粗糙，卻能有效的提升個人的防御能力。進入二十世紀，隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合了機械電子、控制、生物、傳感、信息融合、材料等技術(shù)的柔性外骨骼理論及應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為人機一體化思想理論中的重要組成部分，已越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注?？偟膩碚f，人機智能柔性外骨骼系統(tǒng)的發(fā)展大致可以分為如下三個階段：在早期，柔性外骨骼系統(tǒng)主要用于機械手遙操作、人體上肢及手指姿態(tài)測量以及殘疾病人的簡單康復(fù)訓(xùn)練。進入90年代后，力反饋和觸覺反饋逐步引入機械手的遙操作中，給了操作者一種臨場操作的感覺，增加了操作的直觀性，這也標志著柔性外骨骼技術(shù)的發(fā)展進入了一個新的階段。在這個階段中，柔性外骨骼得到了前所未有地快速發(fā)展，開始廣泛地應(yīng)用于肌體增強、虛擬現(xiàn)實、運動康復(fù)等方面。目前人機智能柔性外骨骼系統(tǒng)有兩大應(yīng)用領(lǐng)域，即增力型柔性外骨骼和遙操作柔性外骨骼。前者的最新代表有日本京都Activelink公司的雙臂“力量強化”機器人，和美國加州大學(xué)的BLEEX(BerkeleyLowerExtremityExoskeleton)外骨骼系統(tǒng)| “力量強化”機器人 此次申請的項目為遙操作型外骨骼，下文將簡述國際遙操作柔性外骨骼技術(shù)進展。 正文： 一、各個人體部位的制作步驟： 由于各個部位的傳感器的制作原理大致，所以就沒必要沒個關(guān)節(jié)去介紹，重點介紹一下各個中要零件，然后直接說明傳感器的效果圖。 下面介紹各個重要零件的設(shè)計： 1、 背板： 背板主要是用來連接肩部和背部的傳感器，因為人體的肩部運動會牽連或帶動到背部運動，所以有必要設(shè)計一個連接的背板來起到穩(wěn)定的兩件作用 2、 背架 背架是放在身體背部，起到支持整個裝置的左右，在背架上打孔，裝上魔術(shù)貼，以便幫緊在人的身體上 3、 可調(diào)電阻： 作為傳感器的主要零件，采用的多圈可調(diào)電阻的型號是WX110（4K7±5%） 4、L型板帶筋板 一方面固定電阻，另一方面在筋板打孔安裝魔術(shù)貼，把傳感器固定在手臂上。 4、 鉚接堵頭 用來固定可調(diào)電阻的零件，自行設(shè)計并在外面加工的堵頭 二、 取得的主要成果： （１）自行設(shè)計和制作出人體關(guān)節(jié)的傳感器 人體關(guān)節(jié)傳感器主要是針對手臂的5個重要關(guān)節(jié)，分別是手指、腕部、肘部、肩部、背部。同時也與機械臂的各個部位一一對應(yīng)。所有的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的控制都是通過多圈可調(diào)電阻（兩邊引腳是電源輸入和輸出，中間是信號線）的阻值變化以電壓的為信號形式傳遞給主芯片龍丘MC9S12XS128處理，有標準的SolidWorks工程設(shè)計圖。各個部位的設(shè)計的原理分別是： 1、 手指 由于機械臂的手指是利用平行四邊形機構(gòu)設(shè)計的機械抓，考慮到控制的簡便性，所以手指的傳感器就沒必要把5根手指都算進去考慮，故選擇只控制大拇指和食指的咬合來控制機械抓的抓取動作，整個設(shè)計呈“V”字形，考慮到一般人的手指長度，故使用5cm和7cm的鐵片加上魔術(shù)貼套在大拇指和食指上，鐵片的兩端分別焊接住可調(diào)電阻，這樣就可以通過手指的咬合來控制機械抓的抓取動作。具體說明圖片如下： 2、 腕部 根據(jù)機械臂的設(shè)計，從上到下，用第三個舵機來控制腕部是最適合的，可以實現(xiàn)機械臂的上下移動功能，傳感器依然選用多圈可調(diào)電阻，輔助機械固定設(shè)計必須要根據(jù)人體腕部形狀來設(shè)計，這樣讓人帶起來覺得更舒適，故傳感器選擇依附在腕部左邊，形狀接近“方波信號”的形狀，即是接近倒“U”字型，鐵片延伸至前后8cm，用魔術(shù)貼綁緊固定，是手腕可以上下擺動，轉(zhuǎn)動角度設(shè)置為90度，具體說明圖片如下： 3、 肘部 根據(jù)機械臂的設(shè)計，從上到下，用第四個舵機來控制腕部是最適合的，可以實現(xiàn)機械臂的上下探伸移動功能，傳感器依然選用多圈可調(diào)電阻，輔助機械固定設(shè)計必須要根據(jù)人體肘部形狀來設(shè)計，故傳感器輔助機械設(shè)計，手臂伸直時呈一字直線，彎曲起來呈“V“字型，用魔術(shù)貼粘緊肘部前后位置。具體說明圖片如下： 4、 肩部 根據(jù)機械臂的設(shè)計，從上到下，用第五個舵機來控制腕部是最適合的，可以實現(xiàn)機械臂的前后探伸移動功能，擴大機械臂的移動范圍，傳感器依然選用多圈可調(diào)電阻，輔助機械固定設(shè)計必須要根據(jù)人體肩部形狀來設(shè)計，另外肩部和背部必須要連在一起，因為人體的上臂運動是和背部有牽連的，這樣把可調(diào)電阻裝在臂部， 直角筋板，然后固定，再和背部連緊，具體說明圖片如下： 5、 背部 根據(jù)機械臂的設(shè)計，從上到下，用第六個舵機來控制腕部是最適合的，可以實現(xiàn)機械臂的旋轉(zhuǎn)探伸移動功能。傳感器跟其他部位一樣，但是加了鐵片背板，主要是起到穩(wěn)定的功能，防止背部傳感器走位。具體說明圖片如下： 6、電路板 本項目控制處理的芯片主要是用到了龍丘MC9S12XS128，即是飛思卡爾智能車比賽的專用芯片，經(jīng)過多次實驗，電路設(shè)計方面最為重要的部分是電源，要同時提供6個舵機的穩(wěn)定的7.5V電壓，最大能產(chǎn)生1A左右的電流，所以實驗室的直流穩(wěn)壓器不起到作用，最后決定直接用蓄電池供給舵機工作，另外驅(qū)動龍丘MC9S12XS128芯片需要穩(wěn)壓5V，所以選擇用芯片7805搭起5V穩(wěn)壓輸出，另外從龍丘MC9S12XS128多個引腳作為機械臂的信號輸入，具體說明圖片如下： 一、 達到的目標、水平及創(chuàng)新之處： 通過人的手臂傳感器能順利地控制機械臂，能順利完成抓取任務(wù)，同時需要帶上傳感器的人能熟練操作，但是精確度不高。主要的創(chuàng)新之處就是利用電阻傳感器，通過改變電阻阻值產(chǎn)生電壓信號，從而利用MC9S12XS128來處理信號。要想提高精度，首先要提高可調(diào)電阻的精度。，另外機械臂本身的舵機控制和機械結(jié)構(gòu)設(shè)置也要改善。 總體效果圖： 二、 工作的進一步設(shè)想 按照現(xiàn)定的計劃，進一步可以改善的地方是 1、 傳感器對人體的適應(yīng)性，下一階段可以做到完全適應(yīng)人體的手臂，消除傳感器對人手臂的不舒適性，使其完全模擬出人手臂的形狀。 2、 提高精度，主要是改善可調(diào)電阻，增加電阻的精度。另外改善機械臂的機構(gòu)，使其更加穩(wěn)定 3、 改善程序，使程序更加精確，簡便，降低出錯率。 4、 把運用到其他方面，比如移動一些對身體有害的物質(zhì)。像炸彈，放射性元素。 參考文獻： 1、基于外骨骼技術(shù)的機器人遠程控制——李曉明 2、基于柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)研究——張佳帆 3、手臂助力系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究——李向軍 4、#c 附錄： 程序代碼： 1、 #include"includes.h" word A[7]; void get_AD(void); void main(void) { DisableInterrupts; Init(); EnableInterrupts; for(;;) //循環(huán)語句大概每秒鐘3072次 { get_AD(); PWMDTY0=A[5]/104-6; // 4號舵機 腕部 9'+90 DIR 20'~23 28'-90 PWMDTY1=45-A[0]/100; //1號舵機 PWMDTY23=2*A[1]-300; //0號舵機 PWMDTY45=A[3]*3.5-5000; //三號舵機00 90' 3681~2140 PWMDTY67=A[6]; //2600/min~1300/max } ; } void get_AD(void) { byte i,j; word AD[7][10] ; word reslt; for(i=0;i<10;i++) { while(!ATD0STAT2_CCF0) {} ; AD[0][i]=ATD0DR0; while(!ATD0STAT2_CCF1) {} ; AD[1][i]=ATD0DR1; while(!ATD0STAT2_CCF2) {} ; AD[2][i]=ATD0DR2; while(!ATD0STAT2_CCF3) {} ; AD[3][i]=ATD0DR3; while(!ATD0STAT2_CCF4) {} ; AD[4][i]=ATD0DR4; while(!ATD0STAT2_CCF5) {} ; AD[5][i]=ATD0DR5; while(!ATD0STAT2_CCF6) {} ; AD[6][i]=ATD0DR6; }; for(i=0;i<7;i++) { reslt=0; for(j=0;j<10;j++) { reslt=reslt+AD[i][j]; }; A[i]=reslt/10; }; } 2、 #include"includes.h" word A[7]; void get_AD(void); void main(void) { DisableInterrupts; Init(); EnableInterrupts; for(;;) //循環(huán)語句大概每秒鐘3072次 { get_AD(); PWMDTY0=A[5]/107-12; //9'+90 DIR 20'~23 28'-90 PWMDTY1=39-A[0]/160; PWMDTY23=2*A[1]+600; PWMDTY45=A[3]+100; //3800 DIR~2300 90' 3681~2140 PWMDTY67=A[6]*0.61; //2600/min~1300/max } ; } void get_AD(void) { byte i,j; word AD[7][10] ; word reslt; for(i=0;i<10;i++) { while(!ATD0STAT2_CCF0) {} ; AD[0][i]=ATD0DR0; while(!ATD0STAT2_CCF1) {} ; AD[1][i]=ATD0DR1; while(!ATD0STAT2_CCF2) {} ; AD[2][i]=ATD0DR2; while(!ATD0STAT2_CCF3) {} ; AD[3][i]=ATD0DR3; while(!ATD0STAT2_CCF4) {} ; AD[4][i]=ATD0DR4; while(!ATD0STAT2_CCF5) {} ; AD[5][i]=ATD0DR5; while(!ATD0STAT2_CCF6) {} ; AD[6][i]=ATD0DR6; }; for(i=0;i<7;i++) { reslt=0; for(j=0;j<10;j++) { reslt=reslt+AD[i][j]; }; A[i]=reslt/10; }; } void Init(void) { ATD_Init(); Start_PLL(); //鎖相環(huán)初始化 asm{ nop nop } PWM_Init(); //PWM初始化 } #include "includes.h" /* derivative information */ void PWM_Init(void) { PWME=0x00; //輸出禁止 PWMCTL=0XE0; //01不級聯(lián) PWMPRCLK=0X44;//clockb=bus/16=2M ，clocka=bus/4=2M PWMCLK=0X03; //PTP1clock from SB,ptp0 clock from SA PWMSCLA=0X4E; //CLOCKSA=clocka/(2*pwmcla)=12KHZ PWMSCLB=0X4E; //CLOCKSB=clockb/(2*pwmcla)=12KHZ PWMPOL=0XFF; PWMCAE=0X00; PWMPER0=0xff;//PHZptp01=CLOCKSA/(pwmper01+1)=50HZ PWMPER1=0xff;//PHPptp23=CLOCKSB/(pwmper23+1)=50HZ PWMPER23=39999; PWMPER45=39999; PWMPER67=39999; PWMDTY0=15; PWMDTY1=15; PWME=0X0FF; }; #include "includes.h" /* derivative information */ void ATD_Init( void ) { ATD0CTL1 = 0x40; //12位精度，不放電 ATD0CTL2 = 0x40; //快速清除標志位,禁止外部觸發(fā)，不使能中斷 ATD0CTL3 = 0xBA; //右對齊，每序列7次轉(zhuǎn)換，不用FIFO,進入FreezeMode完成當前轉(zhuǎn)換 #if BusClock==32 ATD0CTL4 = 0x61; //采樣用10個ATD周期,采樣頻率=BUSCLK/(2*(ATDCTL4_low5+1))=8M,每個通道采樣頻率介于200(KHZ) #else if BusClock==64 ATD0CTL4 = 0x63; //采樣用10個ATD周期,采樣頻率=BUSCLK/(2*(ATDCTL4_low5+1))=8M,每個通道采樣頻率介于200(KHZ) #endif ATD0CTL5 = 0x30; //scan模式，多通道，通道0起始 ATD0DIEN = 0x00; //禁止數(shù)字輸入 } #include <hidef.h> /* common defines and macros */ #include <MC9S12XS128.h> /* derivative information */ #pragma LINK_INFO DERIVATIVE "mc9s12xs128" #include"PWM_Init.h" //PWM初始化 #include"Start_PLL.h" //鎖相環(huán)初始化 #include"ATD_Init.h" #include"Init.h" //初始化 #include"PID.h" #include"DELAY_3S.h" //#include"get_speed.h" //#include"Debug_Pc.h"
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 自行設(shè)計和制作人體關(guān)節(jié)活動傳感器附在人的手臂上，從而達到控制龍人機械臂，完成各個關(guān)節(jié)的基本活動，進一步就是提高控制的機械臂精度，完成抓取目標的任務(wù)。 技術(shù)的關(guān)鍵在于是人體手臂信號的采集，我們在這方面使用了可調(diào)電阻作為傳感器，技術(shù)指標是控制機械臂的精度。
科學(xué)性、先進性
- 人體關(guān)節(jié)傳感器主要是針對手臂的5個重要關(guān)節(jié)，分別是手指、腕部、肘部、肩部、背部。同時也與機械臂的各個部位一一對應(yīng)。所有的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的控制都是通過可調(diào)電阻的阻值變化以電壓的信號形式傳遞給主芯片處理。 現(xiàn)有技術(shù)里面多數(shù)是使用應(yīng)墊片依附在手臂上的數(shù)據(jù)手套，又或者是很笨重的外骨骼機械手臂，成本都很高，而我們使用的是舵機制作的機械臂模擬出人體手臂的5個關(guān)節(jié)運動，同時使用可調(diào)電阻作為傳感器的主體，自行設(shè)計傳感器外部結(jié)構(gòu)，使傳感器更適合地依附在人的手臂上，同時也使傳感器盡可能的體現(xiàn)出它本身的特點。精度也很高，能輕松完成抓取的目標，同時也可以改裝成閉環(huán)的無線控制系統(tǒng)，大大減少了繁瑣的機械機構(gòu)，使控制達到最簡單化和最有效化。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 深圳大學(xué)2009年度實驗室開放基金項目“龍人機械臂實驗”（編號：2009163，負責(zé)人：梁卓立、樊玉龍、曾高權(quán)，指導(dǎo)老師：王鑫）
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 圖紙 現(xiàn)場演示 圖片 錄像 樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明：主要是把5個關(guān)節(jié)的傳感器依次戴在人的手臂上，對應(yīng)的信號輸入和輸出的電路接好即可，詳細可參考演示視頻里面的操作。 制作設(shè)計簡便實用，成本較低，便于穿戴和控制，精度可以通過可調(diào)電阻和控制程序來進行優(yōu)化，亦可拓展制作出閉環(huán)的控制系統(tǒng)，能輕松完成抓取物品的任務(wù)，詳細可參考演示視頻，亦可運用到其他方面，比如轉(zhuǎn)移對身體有危害的物品，像炸彈、含放射性元素或腐蝕性物體等。由于制作成本遠遠低于市場上能實現(xiàn)同一類型的其他產(chǎn)品，所以有很高的經(jīng)濟效益和很低的經(jīng)濟生產(chǎn)風(fēng)險以及應(yīng)用于教育事業(yè)的實質(zhì)性意義，同時也很有應(yīng)用于社會生產(chǎn)發(fā)展?jié)摿Α?
同類課題研究水平概述
- 遙操作柔性外骨骼進展： 人機智能柔性外骨骼系統(tǒng)高度集成了傳感、信息融合、數(shù)據(jù)傳輸以及力反饋控制等技術(shù)，因此能夠很好地給操作者提供一種臨場操作的感覺。系統(tǒng)的這種透性很大程度上增強了遙操作的直觀性和控制的效率。因此，帶有力反饋的柔性外骨骼系統(tǒng)被認為是最理想的遙操作控制器之一。最早在1948年，Goertz開發(fā)了第一套主從機械手系統(tǒng)，用于核電站核廢料的回收(圖1．3)．1970年，美國通用電氣公司(GeneralElecti-ie，GE)開發(fā)了用于機械手遙操作的外骨骼系統(tǒng)。隨后，在80年代，GE公司又在原來系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在柔性外骨骼機械手上增加了力反饋系統(tǒng)，很好地實現(xiàn)了主從機械手的柔性控制，進入上世紀90年代后期，柔性外骨骼技術(shù)進入其發(fā)展的繁榮期，無論是柔性外骨髂的結(jié)構(gòu)設(shè)計還是力反饋驅(qū)動元件都有了新的麥破。韓國科技學(xué)院(KoreaInstitute of Science and Technology，KIST)的Park等人，將并聯(lián)機構(gòu)引入了外骨骼系統(tǒng)中，采用3RPS結(jié)構(gòu)很好地解決了人體上肢肩關(guān)節(jié)和手腕關(guān)節(jié)多自由度的要求”．隨后Kam和Lee等人又開發(fā)了采用電子剎車片作為力反饋驅(qū)動元件的力反饋外骨髂主機械手”，圖l一5。 英國Salford大學(xué)的Caldwell等人利用氣動肉作為關(guān)節(jié)驅(qū)動器，在原有氣動肌肉機械手的基礎(chǔ)上對氣動肌內(nèi)外骨骼開展研究(如圖1-6所示)，但受到氣動肌肉頻響比較低的影響，該研究還有待進一步地深入探索．此外，美國華盛頓大學(xué)俄亥俄州立大學(xué)和斯坦福大學(xué)等也開展了相關(guān)的研究。 除了上臂柔性外骨骼以外，數(shù)據(jù)手套外骨骼也是遙操作外骨骼中重要的一種。其中，Rugters MasterII外骨髂數(shù)據(jù)手套和cyberGr外骨骼數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)無疑是最著名的兩種研究成果。RugtersMasterII系統(tǒng)集成了霍爾傳感器、微力驅(qū)動器和控制電路，主要用于虛擬現(xiàn)實的力反饋控制，可在拇指、食指、中指等上產(chǎn)生16N左右的力反饋信號。
