技术领域
[0001] 本实用新型涉及机械臂，尤其涉及一种基于体感控制的搬运机械臂系统。
背景技术
[0002] 机械臂是近几十年来涌现的一种工业技术设备，它能模仿人体上肢某些动作，可以实现自动
定位和编程等功能，在生产过程中代替人类搬运物件或操持工具进行操作，同时机械臂集成了计算机技术、控制科学以及机械
电子技术等，是多种学科共同发展的结果。
[0003] 搬运机械臂是可以进行自动化搬运作业的工业机械臂，它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，对于搬运机械臂，若要顺利完成各种作业任务，对其有效的控制必不可少。
[0004] 通常机械臂的控制都是基于计算机进行的，那么，操作者——人与机械臂的控制交互，也就转
化成了人与计算机之间的交互，现有的
人机交互通常都是依靠计算机外接
键盘、
鼠标或控制用
触摸屏为主，实时性与准确度不够高，且人机交互的自然性不够好，交互方式不够直接，不适用于与缺乏学习能
力的老人和儿童之间的交互。实用新型内容
[0005]
发明目的：针对
现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种基于体感控制的搬运机械臂系统。
[0006] 技术方案：一种基于体感控制的搬运机械臂系统，包括上位机，主
控制器，机械臂，体感控制器和电源；
[0007] 所述机械臂包括
基座、肩、大臂、小臂、
手腕和末端抓取器，上述部件安装在底盘上，各部件通过连接部件形成转动连接，相邻部件的转动点处设有
舵机驱动模
块；
[0008] 所述体感控制器的检测
信号输出端与上位机的检测信号接收端连接；
[0009] 所述上位机的
控制信号输出端与
主控制器的控制信号接收端连接，所述主控制器的控制信号输出端和舵机驱动模块连接。优选的，所述主控制器采用Arduino Leonardo开发板作为主控
制芯片
[0010] 进一步的，所述体感控制器包括摄像头、
微处理器、与微处理器连接的输入端、输出端、信息存储装置和显示模块；所述摄像头通过通讯线与微处理器连接；
[0011] 进一步的，所述舵机驱动模块包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机和第六舵，其中，第一舵机驱动末端抓取器，第二舵机驱动手腕，第三舵机驱动小臂，第四舵机驱动大臂，第五舵机驱动肩，第六舵机驱动基座的旋转。
[0012] 优选的，所述上位机通过蓝牙模块将
信号传输至主控
制模块，所述蓝牙模块通过HC-05蓝牙串口模块与USB通用
串行总线转TTL
逻辑门电路实现。
[0013] 有益效果
[0014] 与现有技术相比，本实用新型具有如下进步：机械臂设置有多个旋转点，各旋转点处分别通过舵机连接，保证了机械臂模块的灵活性，能够完成各
角度的旋转和抓取，能够用于多种领域的产品的抓取工作，适于大范围推广使用。基于
体感交互控制技术展开深入研究，将遥控操作与体感技术相结合，通过设计机械臂搬运过程中的多种动作与路径，实现六
自由度串联型机械臂在一些相对复杂的环境中的搬运作业，优化搬运机械臂的实时性，达到人与机器同步交互操作，以此来简化机械臂控制的复杂度，从而提高实时性、准确度和人机交互的自然性。
附图说明
[0015] 图1为本实用新型的系统结构示意图；
[0016] 图2为体感控制机械臂的结构示意图。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和
实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。需要强调的是，本实用新型所涉及的通信协议、
算法等
软件均为现有技术。
[0018] 如图1所示，一种基于体感控制的搬运机械臂系统，包括上位机，主控制器，机械臂，电源，体感控制器以及蓝牙。
[0019] 体感控制器置于上位机的屏幕前，体感控制器和机械臂都设置在工作平面顶端，体感控制器的检测信号输出端与上位机系统的检测信号接收端电连接(USB
接口连接)，上位机的控制信号输出端与机械臂的控制端连接，体感控制器获取用户手在其坐标空间中的动作信号后，将数据通过USB
通用串行总线传输给上位机，不同的动作信号对应上位机内部不同的控制信号，上位机根据不同的手部动作信号，通过主控制器，对机械臂各部件发出相应的控制信号，从而控制机械臂完成相应的抓取动作，对物品进行抓取。
[0020] 如图2所示为机械臂的结构示意图，主控制器安装在机械臂的底座上，底座上方，依次连接有基座1、肩2、大臂3、小臂4、手腕5和末端抓取器6；具体的，基座1固定，肩2一端通过连接部件与基座1形成转动连接，肩2的另一端通过连接部件和大臂3的一端形成转动连接，小臂4通过连接部件与大臂3的另一端形成转动连接，小臂4的另一端通过连接部件与手腕5形成转动连接，末端抓取器6通过连接部件和手腕5形成转动连接；相邻连接件的转动点处设有舵机驱动模块，括第一舵机7、第二舵机8、第三舵机9、第四舵机10、第五舵机11和第六舵机12，第一舵机7驱动末端抓取器6，第二舵机8驱动手腕5，第三舵机9驱动小臂4，第四舵机10驱动大臂3，第五舵机11驱动肩2，第六舵机12驱动基座1的旋转。舵机驱动模块通过控制线发送的脉冲宽度调制PWM来进行控制，通过改变发送到
电动机的脉冲宽度调制信号决定电动机轴的
位置，改变脉冲的持续时间决定舵机的趋向角度，改变脉冲长度决定电动机转动的距离，电动机实际位置和所需位置之间的差值与
电机的速度成比例。第一舵机7、第二舵机8、第三舵机9、第四舵机10和第五舵机11优选采用LD-1501MG数字舵机，第六舵机优选采用LD-20MG数字舵机，
[0021] 通过上述结构连接和舵机控制，本实用新型的机械臂共有6个自由度，分别为肩2的回转与曲摆，大臂3的曲摆，小臂4的曲摆，手腕5的曲摆与回转，以及末端抓取器6的回转与抓取。与基座1相连的肩2可以进行360度的回转；与肩2相连接的大臂3可以进行-90～+90度曲摆,与大臂3相连接的小臂4可以进行-90～+90度曲摆，大臂3和小臂4动作幅度较大，可以满足
俯仰要求。手腕5可以进行360度的旋转，手腕5也可以完成-90～+90度的曲摆，末端抓取器6部分可以-90～+90度夹持，末端抓取器6部分通过一对
齿轮的
啮合转动，及其四杆机构完成末端抓取器的开合，可以满足搬运物体的要求。
[0022] 进一步的，蓝牙模块优选通过HC-05蓝牙串口模块与USB通用串行总线转TTL
逻辑门电路实现。HC-05蓝牙串口模块通过串口信号TX\RX与Arduino开发板实现串口通信，将上位机系统换算的舵机转动角度发送至主控制器中。USB转TTL连接上位机并安装驱动模块后，当USB蓝灯慢闪时有
配对记忆模块但未连接，当USB蓝灯两闪一停时HC-05蓝牙串口模块与USB转TTL已连接，USB黄灯长亮时有数据传输。
[0023] 主控制器优选采用Arduino Leonardo开发板作为主控制芯片。Arduino Leonardo开发板中的Tmega32u4处理器内置的通用异步收发传输器UART可以通过数字口0(RX)和1(TX)与HC-05蓝牙串口模块实现串口通信。Arduino Leonardo开发板中的脉冲宽度调制PWM输出口(2、3、4、5、6、7)连接对应的舵机，通过控制线为所述电机驱动模块提供PWM输出。Arduino Leonardo开发板通过HC-05蓝牙串口模块和USB通用串行总线转TTL逻辑门电路和上位机系统进行通信后，解析出动作指令后调用Arduino Leonardo开发板中的Servo函数控制舵机的转动，进而使所述机械臂各个部件作出相应动作。
[0024] 本实用新型的体感控制器，优选采用Leap Motion，基于
计算机视觉技术，内置能够发射红外线并探测红外光反射的手部识别模块，其次还包括微处理器、与微处理器连接的输入端、输出端、信息存储装置和显示模块；红外手部识别模块通过通讯线与微处理器连接；用于记录用户手的方向、坐标的数据及捕捉用户手势在其坐标空间中的运动趋势，高
精度、高
帧率地捕获手部静态和动态信息。体感控制器一旦检测到目标对象，其软件系统即为所述目标对象分配唯一的标识符，随着计算出的
跟踪数据，用户可以获取原始
传感器图像。
[0025] 上位机系统采用Processing互动编程软件编写完成，用于通过函数库接收体感控制器传输的用户手部信息，并从获取的一系列帧对象运动追踪数据中筛选出交互需要的位置坐标，将其换算成舵机转动角度，然后通过蓝牙将舵机转动角度发送到主控制器，主控制器解析出动作指令后通过Servo类函数控制舵机的转动，从而完成一系列的动作。
[0026] 基于多Leap Motion虚拟手势融合实现机械臂操控的方法，具体步骤如下：
[0027] 步骤1：设置手势采集装置；
[0028] 步骤2：基于手势采集装置采集控制机械臂的手势的Leap Motion序列图像，并利用基于核极限学习机的
手势识别模型对手势进行识别；
[0029] 步骤3：利用预设的控制手势与机械臂实际操作手势比例因子，获取机械臂操作目标终点；
[0030] 步骤4：获得机械臂运动方案；
[0031] 步骤5：选取最佳机械臂的操控方案。该方案使用多Leap Motion传感器采集手势序列图像，使用加权融合算法将手势图像进行融合，具有很强的容错性。
