西安思源學院 雷鴻春 高 康 甄慧慧 王能亮 李 祥 毛維培

一種腦電遠程控制的仿生機械手臂

西安思源學院 雷鴻春 高 康 甄慧慧 王能亮 李 祥 毛維培

該款仿生機械手臂利用安裝在頭部的TGAM模塊和安裝在人手臂部的加速度傳感器采集運動信號，通過無線傳輸遠距離制定仿生機械手臂，實現(xiàn)機械臂與人腦意識和人臂的同步運動。機械手臂可實現(xiàn)五個自由度的運動，可靠的閉環(huán)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)準確定位，準確抓取，來完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，體現(xiàn)了人的智能和適應性。腦電遠程控制是該款仿生機械手臂的顯著特點。

機械手臂；TGAM模塊；同步；仿生

0.引言

仿生機械臂是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，仿生機械臂作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等行業(yè)。機械臂作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

現(xiàn)有的大多數(shù)機械手體積較大，有線傳輸，并需要在電腦客戶端進行編程等繁瑣的技術(shù)操作，操作難度大，不易攜帶。該款仿生機械手臂采用加速度傳感器和TGAM控制模塊，工作時結(jié)合手臂的運動和腦電信號的采集，通過無線傳輸遠程控制仿生機械臂的運動，實現(xiàn)物體搬運。腦電感應的控制設(shè)計方式填補了國內(nèi)機械臂發(fā)展是一個空白。

一、仿生機械手臂工作原理

仿生機械手臂的機械臂主要由五個舵機和支架構(gòu)成，能完成五個自由度的運動，可模仿人體胳膊關(guān)節(jié)的自由活動?？刂撇糠钟?/p>

TGAM模塊、加速度傳感器構(gòu)成。機械臂和控制部分無線傳輸，可實現(xiàn)遠距離操作。加速度傳感器配帶在手臂上，手臂按作業(yè)要求上下、左右、前后、翻轉(zhuǎn)運動時，通過無線傳輸可控制仿生機械手臂做同步運動；TGAM模塊配帶在頭部采集腦電信號，并通過無線傳輸可控制仿生機械手臂的抓取動作，兩者相結(jié)合可完美的實現(xiàn)像人手臂一樣的上下、左右、前后、翻轉(zhuǎn)和抓取運動，操作習慣與人體一致，符合人體的仿生學要求。

二、仿生機械手臂設(shè)計方案

仿生機械手臂由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)兩大部分組成。

執(zhí)行機構(gòu)由底座1、舵機2、轉(zhuǎn)盤3、固定架4、舵機5、支架6、固定架7、舵機8、機械爪9、舵機10、舵機11和無線接收器組成，仿生機械手臂由五個舵機和支架構(gòu)成一個五個自由度的活動手臂，能模仿人體胳膊關(guān)節(jié)的自由活動。仿生機械手臂執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 仿生機械手臂執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

舵機2安裝在底座1上，并與轉(zhuǎn)盤3相聯(lián)，可帶動轉(zhuǎn)盤（3）在水平面上旋轉(zhuǎn)；舵機5位于轉(zhuǎn)盤3上，其上安裝有支架6，舵機5用于帶動支架6在豎直面上擺動；舵機8安裝在支架6的頂部，其能夠相對于支架6擺動，擺動面在豎直面上；舵機11位于舵機8的側(cè)方，二者固定連接、保持相對靜止，舵機11的輸出軸朝向上，其上安裝有機械爪9，舵機11用于帶動機械爪9旋轉(zhuǎn)；舵機舵機10安裝在機械爪9上，用于帶動機械爪9完成抓取動作；

控制機構(gòu)由TGAM模塊、加速度傳感器和無線發(fā)射器組成。TGAM模塊佩戴在頭部采集腦部電信號；加速度傳感器可以配帶在控制者的手臂上。兩者與無線發(fā)射器有線相聯(lián)。

工作時，先將仿生機械手臂上的舵機引線連接在無線接收器上。加速度傳感器和TGAM模塊的引線連接到無線發(fā)射器上。接通電源后，無線模塊進行藍牙配對。配對成功后通過移動配帶在控制者手臂上的加速度傳感器沿上下、左右、前后、翻轉(zhuǎn)四個方向運動，通過無線傳輸就可控制仿生機械手臂沿同樣方向同步移動。TGAM模塊佩戴在頭部采集腦部電信號通過無線無線發(fā)射器和無線接收器來實現(xiàn)信號傳輸，控制仿生機械手臂上的機械爪開合，實現(xiàn)抓取功能。通過控制加速度傳感器的運動和TGAM模塊采集腦電信號就可完全模仿自然人手臂的移動抓取功能、可以像人手臂一樣上下、左右、前后運動，抓取物品，實現(xiàn)肢體運動與意念完美匹配的仿生控制。

三、仿生機械手臂結(jié)構(gòu)特點

該款仿生機械手臂采用TGAM腦電模塊對機械手臂抓取進行意念控制，并實時配合人體手臂的運動，完全模仿了人體的自然操作習慣，仿生效果十分完美。操作簡便，擺脫了電腦終端繁瑣的技術(shù)操作，直接利用人手傳感進行同步仿生控制。運動靈活，控制精確，機械臂與無線控制完美結(jié)合，可實現(xiàn)無線遠距離操作，抗干擾強。

四、結(jié)束語

該款仿生機械手臂滿足了人體學、仿生學和運動學方面的個性化設(shè)計。由加速度傳感器和TGAM模塊采集腦部電信號構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以確保機械臂的準確定位。該款設(shè)計操作方便，易于實現(xiàn)，滿足了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和精確控制的要求。該款仿生機械手臂可廣泛應用在機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等行業(yè)。市場潛力廣，使用范圍廣，有很好的使用推廣價值。

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本文為國家級大學生創(chuàng)新訓練項目資助（編號：201613121003）。