西安思源學(xué)院 雷鴻春 高 康 甄慧慧 王能亮 李 祥 毛維培

一種腦電遠(yuǎn)程控制的仿生機(jī)械手臂

西安思源學(xué)院 雷鴻春 高 康 甄慧慧 王能亮 李 祥 毛維培

該款仿生機(jī)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(yùn)動信號，通過無線傳輸遠(yuǎn)距離制定仿生機(jī)械手臂，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與人腦意識和人臂的同步運(yùn)動。機(jī)械手臂可實(shí)現(xiàn)五個自由度的運(yùn)動，可靠的閉環(huán)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，準(zhǔn)確抓取，來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。腦電遠(yuǎn)程控制是該款仿生機(jī)械手臂的顯著特點(diǎn)。

機(jī)械手臂；TGAM模塊；同步；仿生

0.引言

仿生機(jī)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(jī)械臂作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等行業(yè)。機(jī)械臂作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)械手體積較大，有線傳輸，并需要在電腦客戶端進(jìn)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(jī)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(yùn)動和腦電信號的采集，通過無線傳輸遠(yuǎn)程控制仿生機(jī)械臂的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)物體搬運(yùn)。腦電感應(yīng)的控制設(shè)計(jì)方式填補(bǔ)了國內(nèi)機(jī)械臂發(fā)展是一個空白。

一、仿生機(jī)械手臂工作原理

仿生機(jī)械手臂的機(jī)械臂主要由五個舵機(jī)和支架構(gòu)成，能完成五個自由度的運(yùn)動，可模仿人體胳膊關(guān)節(jié)的自由活動。控制部分由

TGAM模塊、加速度傳感器構(gòu)成。機(jī)械臂和控制部分無線傳輸，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(yùn)動時，通過無線傳輸可控制仿生機(jī)械手臂做同步運(yùn)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(jī)械手臂的抓取動作，兩者相結(jié)合可完美的實(shí)現(xiàn)像人手臂一樣的上下、左右、前后、翻轉(zhuǎn)和抓取運(yùn)動，操作習(xí)慣與人體一致，符合人體的仿生學(xué)要求。

二、仿生機(jī)械手臂設(shè)計(jì)方案

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

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由底座1、舵機(jī)2、轉(zhuǎn)盤3、固定架4、舵機(jī)5、支架6、固定架7、舵機(jī)8、機(jī)械爪9、舵機(jī)10、舵機(jī)11和無線接收器組成，仿生機(jī)械手臂由五個舵機(jī)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(jī)械手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

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

舵機(jī)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(jī)5位于轉(zhuǎn)盤3上，其上安裝有支架6，舵機(jī)5用于帶動支架6在豎直面上擺動；舵機(jī)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(jī)11位于舵機(jī)8的側(cè)方，二者固定連接、保持相對靜止，舵機(jī)11的輸出軸朝向上，其上安裝有機(jī)械爪9，舵機(jī)11用于帶動機(jī)械爪9旋轉(zhuǎn)；舵機(jī)舵機(jī)10安裝在機(jī)械爪9上，用于帶動機(jī)械爪9完成抓取動作；

控制機(jī)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(jī)械手臂上的舵機(jī)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(jìn)行藍(lán)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(yùn)動，通過無線傳輸就可控制仿生機(jī)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(shí)現(xiàn)信號傳輸，控制仿生機(jī)械手臂上的機(jī)械爪開合，實(shí)現(xiàn)抓取功能。通過控制加速度傳感器的運(yùn)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(yùn)動，抓取物品，實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動與意念完美匹配的仿生控制。

三、仿生機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該款仿生機(jī)械手臂采用TGAM腦電模塊對機(jī)械手臂抓取進(jìn)行意念控制，并實(shí)時配合人體手臂的運(yùn)動，完全模仿了人體的自然操作習(xí)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(jìn)行同步仿生控制。運(yùn)動靈活，控制精確，機(jī)械臂與無線控制完美結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)距離操作，抗干擾強(qiáng)。

四、結(jié)束語

該款仿生機(jī)械手臂滿足了人體學(xué)、仿生學(xué)和運(yùn)動學(xué)方面的個性化設(shè)計(jì)。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(jī)械臂的準(zhǔn)確定位。該款設(shè)計(jì)操作方便，易于實(shí)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(jī)械手臂可廣泛應(yīng)用在機(jī)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(jià)值。

[1]王國彪．仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015(7)：51-13．

[2]郭策,戴振東,孫久榮．生物機(jī)器人的研究狀況及其未來發(fā)展[J]．機(jī)器人,2005(3)：27-2．

[3]李松,朱衍飛,陳奇．一種臂載式多功能機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)[J]．機(jī)器人技術(shù),2012(3)．

本文為國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助（編號：201613121003）。