一种体载拟态机械臂的制作方法

1.本发明涉及机械臂技术领域，具体为一种体载拟态机械臂。


背景技术：

2.现有的机械臂包括格式残疾辅助仿生机械臂、工业机械臂等。然而将辅助机械臂适配于健全的工程师进行辅助作业的想法不多。现存技术也较为局限，大多不具备自动化控制能力或灵活的自由度以及操控性。


技术实现要素：

3.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种体载拟态机械臂，其能够辅助工程人员作业，增加人员的作业范围、方式。
4.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.一种体载拟态机械臂，其特征在于，包括功用背包、仿生机械臂以及搭载于人体手臂的姿态捕捉器；所述仿生机械臂设置于功用背包上；所述功用背包上安装电气设备；
6.所述功用背包由背包主背板、背包胸前板、背包腹部板通过背带连接形成，所述背包主背板的背部设置有电池和臂基预留位；
7.所述仿生机械臂由机械臂手部、机械臂一号臂体、机械臂二号臂体、机械臂臂基组成；
8.所述机械臂手部由四个机械臂手指、一个机械臂拇指、一个机械臂腕部以及一个机械臂掌部组成；所述机械臂手指由指尖、指节、指根和指基组成，指尖内置舵机，且与指节连接；指节内置舵机，且与指根连接；指根内置舵机，且与指基连接；指基与机械臂掌部连接；
9.所述机械臂拇指由拇指转轴适配器、机械拇指指节、机械拇指指尖和机械拇指指根组成，机械拇指指尖、机械拇指指节、机械拇指指根和拇指转轴适配器依次连接；机械拇指指尖通过内置舵机连接机械拇指指节，机械拇指指节通过内置舵机连接机械拇指指根，机械拇指指根通过内置舵机连接拇指转轴适配器；
10.所述机械臂腕部由腕部横轴动力箱、腕部纵轴动力箱和腕部动力枢纽组成，腕部纵轴动力箱与机械臂掌部连接，腕部纵轴动力箱内置舵机与腕部动力枢纽连接；腕部动力枢纽同时连接腕部横轴动力箱内置的舵机；腕部横轴适配器内置的另一个舵机连接、机械臂一号臂体；
11.所述机械臂一号臂体由1号臂体前臂、1号臂体后臂转轴适配器、1号臂体臂基和1号臂体后臂组成；所述机械臂二号臂体由2号臂体前臂转轴适配器、2号臂体前臂臂根、2号臂体后臂转轴适配器、2号臂体后臂臂根、2号臂体后臂、2号臂体前臂组成；机械臂腕部通过腕部横轴适配器内置的舵机连接1号臂体前臂；1号臂体后臂连接1号臂体后臂转轴适配器；1号臂体臂根连接1号臂体后臂转轴适配器，1号臂体臂根再连接2号臂体前臂上所安装的舵机；2号臂体前臂臂根连接2号臂体前臂转轴适配器，2号臂体前臂臂根再连接2号臂体后臂
上所安装的舵机；2号臂体后臂臂根连接2号臂体后臂转轴适配器；
12.所述机械臂臂基由臂根适配器、舵机和传动齿轮系统组成；舵机驱动齿轮传动系统通过传动齿轮系统和臂根适配器动力连接，臂根适配器连接2号臂体后臂臂根所安装的舵机；
13.所述姿态捕捉器由姿态捕捉器前臂、姿态捕捉器主臂和姿态捕捉器手部组成；
14.所述姿态捕捉器主臂由主臂基、主臂坞和主臂中枢组成，主臂基通过螺丝与主臂中枢连接，主臂中枢通过螺丝与主臂坞连接；主臂坞通过螺丝连接姿态捕捉器前臂部分的前臂肘节，主臂基上设置有魔术贴或特制衣物；主臂基内嵌姿态传感器，和功用背包上内嵌的姿态传感器配合；
15.所述姿态捕捉器前臂由二号弹簧扣、一号弹簧扣、前臂肘节、臂部滑轨、手部适配器、前臂适配器和腕部滑轨组成；前臂适配器可滑动的设置于臂部滑轨上，腕部滑轨可滑动的设置于臂部滑轨一端上，所述二号弹簧扣设置于腕部滑轨上，所述一号弹簧扣设置于前臂适配器上，一号弹簧扣与二号弹簧扣之间拉一根弹簧，腕部滑轨通过弹簧与前臂适配器拉紧固定；所述手部适配器可滑动的设置于腕部滑轨上，所述手部适配器连接姿态捕捉器手部，所述前臂适配器内嵌置有姿态传感器，且和姿态传感器手部中枢内所含姿态传感器相配合；所述前臂肘节设置于前臂适配器底部；
16.所述姿态捕捉器手部由四个姿态捕捉器手指、一个姿态捕捉器拇指组成和一个腕部姿态读取装置组成；四个姿态捕捉器手指安装于腕部姿态读取装置的腕部中枢；
17.所述腕部姿态读取装置由腕部中枢、腕部纵轴适配器和腕部横轴适配器组成；腕部中枢中嵌置有姿态传感器，且和拇指指基的姿态传感器相配合；腕部中枢与腕部纵轴适配器连接，腕部纵轴适配器与腕部横轴适配器连接；手部适配器连接腕部横轴适配器，腕部中枢连接姿态捕捉器的姿态捕捉器手指；
18.所述姿态捕捉器手指由指根滑道、指根轴向传感器、指根轴向滑轨、指节导轨系统、手指指尖适配器、指尖导轨系统、指根轴向导轨、指根切向传感器、指根适配器、手指指节适配器和指根轴向弧道组成，指根适配器套入指根轴向滑轨，指根轴向滑轨套入指根轴向弧道；指根轴向弧道连接指根轴向传感器，指根轴向弧道与指根轴向传感器均又连接指根切向传感器；指根轴向导轨和指尖导轨系统相连接，指根轴向导轨插入指根滑道；手指指节适配器连接指节导轨系统，指节导轨系统连接指根适配器；手指指尖适配器连接指尖导轨系统，指尖导轨系统连接手指指节适配器；
19.所述姿态捕捉器拇指由指基适配器、指尖适配器和指节适配器组成，指基适配器上设置有指套或魔术贴，指基适配器里嵌入一个姿态传感器；指节适配器连接指基适配器；指尖适配器连接指基适配器。
20.本发明的有益效果在于:1.增加人员作业操作范围、方式；
21.2、辅助人员作业；
22.3、可作为各种仿生机械臂算法的研究平台。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明提供的一种体载拟态机械臂的结构示意图；
25.图2为本发明提供的一种体载拟态机械臂的功用背包的结构示意图；
26.图3为本发明提供的一种体载拟态机械臂的背包主背板的结构示意图；
27.图4为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂腕部的结构示意图；
28.图5为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂手指的结构示意图；
29.图6为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂手指的立体拆分图；
30.图7为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂手部的结构示意图；
31.图8为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂手部的立体拆分图；
32.图9为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂拇指的结构示意图；
33.图10为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂拇指的立体拆分图；
34.图11为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂一号臂体的结构示意图；
35.图12为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂二号臂体的结构示意图；
36.图13为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂臂基的立体拆分图；
37.图14为本发明提供的一种体载拟态机械臂的机械臂臂基的结构示意图；
38.图15为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器前臂的结构示意图；
39.图16为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器前臂另一视角的结构示意图；
40.图17为本发明提供的一种体载拟态机械臂的臂部滑轨的结构示意图；
41.图18为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器手指的结构示意图；
42.图19为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器手指另一视角的结构示意图；
43.图20为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器手指的立体拆分图；
44.图21为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器手指的立体拆分图；
45.图22为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器手指的立体拆分图；
46.图23为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器主臂的结构示意图；
47.图24为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器主臂的立体拆分图；
48.图25为本发明提供的一种体载拟态机械臂的姿态捕捉器拇指的结构示意图。
49.附图标记说明：
50.功用背包1、仿生机械臂2、姿态捕捉器3、背包主背板4、电池5、臂基预留位6、背包胸前板7、背包腹部板8、机械臂手指9、指尖10、指节11、指根12、指基13、机械臂手部14、机械臂拇指15、机械臂一号臂体16、机械臂二号臂体17、机械臂臂基18、姿态捕捉器前臂19、二号弹簧扣20、一号弹簧扣21、前臂肘节22、臂部滑轨23、姿态捕捉器手指24、指根滑道25、指根轴向传感器26、指根轴向滑轨27、指节导轨系统28、手指指尖适配器29、指尖导轨系统30、指根轴向导轨31、姿态捕捉器主臂32、姿态捕捉器拇指33、腕部横轴动力箱34、腕部纵轴动力箱35、腕部动力枢纽36、机械臂腕部37、机械臂掌部38、拇指转轴适配器39、机械拇指指节40、机械拇指指尖41、机械拇指指根42、1号臂体前臂43、1号臂体后臂转轴适配器44、1号臂体臂基45、1号臂体后臂46、2号臂体前臂转轴适配器47、2号臂体前臂臂根48、2号臂体后臂
转轴适配器49、2号臂体后臂臂根50、2号臂体后臂51、2号臂体前臂52、指基适配器53、指尖适配器54、指节适配器55、主臂基56、主臂坞57、主臂中枢58、指根切向传感器60、指根适配器61、手指指节适配器62、手部适配器63、前臂适配器64、腕部滑轨65、臂根适配器66、舵机67、传动齿轮系统68、指根轴向弧道69。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.如图1-图25所示，一种体载拟态机械臂，包括功用背包1、仿生机械臂2以及搭载于人体手臂的姿态捕捉器3；所述仿生机械臂2设置于功用背包1上；所述功用背包1上安装电气设备；
53.所述功用背包1由背包主背板4、背包胸前板7、背包腹部板8通过背带连接形成，所述背包主背板4的背部设置有电池5和臂基预留位6；
54.所述仿生机械臂2由机械臂手部14、机械臂一号臂体16、机械臂二号臂体17、机械臂臂基18组成，
55.所述机械臂手部14由四个机械臂手指9、一个机械臂拇指15、一个机械臂腕部37以及一个机械臂掌部38组成；所述机械臂手指9由指尖10、指节11、指根12、指基13组成，指尖10内置舵机67，且与指节11连接；指节11内置舵机67，且与指根12连接；指根12内置舵机67，且与指基13连接；指基13与机械臂掌部38连接；
56.所述机械臂拇指15由拇指转轴适配器39、机械拇指指节40、机械拇指指尖41和机械拇指指根42组成，机械拇指指尖41、机械拇指指节40、机械拇指指根42和拇指转轴适配器39依次连接；机械拇指指尖41通过内置舵机67连接机械拇指指节40，机械拇指指节40通过内置舵机67连接机械拇指指根42，机械拇指指根42通过内置舵机67连接拇指转轴适配器39；机械拇指指根42本身具备万向节自由度，但是拇指切面与掌部平面有着很特殊的切角；这个切角还是采用了动力化的转轴适配器来模仿，而非机械固定切角。
57.所述机械臂腕部37由腕部横轴动力箱34、腕部纵轴动力箱35和腕部动力枢纽36组成，腕部纵轴动力箱35与机械臂掌部38连接，腕部纵轴动力箱35内置舵机67与腕部动力枢纽36连接；腕部动力枢纽36同时连接腕部横轴动力箱34内置的舵机67；腕部横轴适配器内置的另一个舵机67连接机械臂一号臂体16；这两个动力箱所内置的三个舵机67可使腕部达球形节自由度。
58.所述机械臂一号臂体16由1号臂体前臂43、1号臂体后臂转轴适配器44、1号臂体臂基45和1号臂体后臂46组成；所述机械臂二号臂体17由2号臂体前臂转轴适配器47、2号臂体前臂臂根48、2号臂体后臂转轴适配器49、2号臂体后臂臂根50、2号臂体后臂51由2号臂体前臂52组成；机械臂腕部37通过腕部横轴适配器内置的舵机67连接1号臂体前臂43；1号臂体后臂46连接1号臂体后臂转轴适配器44；1号臂体臂根连接1号臂体后臂转轴适配器44，1号臂体臂根再连接2号臂体前臂52上所安装的舵机67；2号臂体前臂臂根48连接2号臂体前臂转轴适配器47，2号臂体前臂臂根48再连接2号臂体后臂51上所安装的舵机67；2号臂体后臂
臂根50连接2号臂体后臂转轴适配器49；
59.所述机械臂一号臂体16由4节组成，后面的臂体和臂节同上类推。
60.这样可以选择让1号臂保持同线，2号臂体保持同线，来模仿手臂的动作；也可以让1号臂体模仿手臂动作，2号臂体调整机械臂动作起点位置；
61.所述机械臂臂基18由臂根适配器66、舵机67和传动齿轮系统68组成；舵机67驱动齿轮传动系统通过传动齿轮系统68和臂根适配器66动力连接，臂根适配器66连接2号臂体后臂臂根50所安装的舵机67；
62.人的肩部具备球形节自由度，2号臂体的后臂转轴适配器和臂根舵机67可提供二轴转动；臂基上的舵机67提供第三轴的转动。
63.所述姿态捕捉器3由姿态捕捉器前臂19、姿态捕捉器主臂32和姿态捕捉器3手部组成；
64.所述姿态捕捉器主臂32由主臂基56、主臂坞57和主臂中枢58组成，主臂基56通过螺丝与主臂中枢58连接，主臂中枢58通过螺丝与主臂坞57连接；主臂坞57通过螺丝连接姿态捕捉器前臂19部分的前臂肘节22，主臂基56上设置有魔术贴或特制衣物固定于人体主臂；主臂基56内嵌姿态传感器，和功用背包1上内嵌的姿态传感器配合，以此解算人体主臂的姿态；
65.所述姿态捕捉器前臂19由二号弹簧扣20、一号弹簧扣21、前臂肘节22、臂部滑轨23、手部适配器63、前臂适配器64和腕部滑轨65组成；前臂适配器64可滑动的设置于臂部滑轨23上，腕部滑轨65可滑动的设置于臂部滑轨23一端上，所述二号弹簧扣20设置于腕部滑轨65上，所述一号弹簧扣21设置于前臂适配器64上，一号弹簧扣21与二号弹簧扣20之间拉一根弹簧，腕部滑轨65通过弹簧与前臂适配器64拉紧固定；所述手部适配器63可滑动的设置于腕部滑轨65上，所述手部适配器63连接姿态捕捉器3手部，所述前臂适配器64内嵌置有姿态传感器，且和姿态传感器手部中枢内所含姿态传感器相配合；所述前臂肘节22设置于前臂适配器64底部；一号弹簧扣21、二号弹簧扣20之间拉上一根弹簧，然后姿态传感器的整个手部以及半个前臂部分可以通过臂部滑轨23前拉；这样可以随时脱离操作人员的手，也可以随时装回来；整个前臂姿态传感器浮空，以便拉脱后脱离前臂；给予操作人员自由作业的机会。
66.手部适配器63连接手部，可围绕腕部滑轨65转动；前臂适配器64内嵌姿态传感器，可配合手部的中枢内所含姿态传感器解算手部旋转角度；腕部滑轨65可被前拉，遵循前臂适配器64上的臂部滑轨23运动；正常状态下弹簧将腕部滑轨65与前臂适配器64拉紧固定；若用户需要暂时脱下手部姿态传感器，用户可将腕部滑轨65前拉，直至手部不再被套住。用户之后可将整个前臂与手部部分围绕前臂肘节22旋转至待机姿态。
67.所述姿态捕捉器3手部由四个姿态捕捉器手指24、一个姿态捕捉器拇指33组成和一个腕部姿态读取装置组成；四个姿态捕捉器手指24安装于腕部姿态读取装置的腕部中枢；
68.所述腕部姿态读取装置由腕部中枢、腕部纵轴适配器和腕部横轴适配器组成；腕部中枢中嵌置有姿态传感器，且和拇指指基53的姿态传感器相配合，可以推算出拇指指基53的相对姿态；腕部中枢与腕部纵轴适配器连接，腕部纵轴适配器与腕部横轴适配器连接；手部适配器63连接腕部横轴适配器，腕部中枢连接姿态捕捉器3的姿态捕捉器手指24；腕部
为等效万向节，有三个自由轴。手部切向运动时，腕部纵轴适配器直接读取手部切向角度。手部上下运动时，腕部横轴适配器直接读取手部上下角度。手部旋转角度由腕部中枢内的姿态传感器与前臂所含的姿态传感器相对角度解算而得。
69.所述姿态捕捉器手指24由指根滑道25、指根轴向传感器26、指根轴向滑轨27、指节导轨系统28、手指指尖适配器29、指尖导轨系统30、指根轴向导轨31、指根切向传感器60、指根适配器61、手指指节适配器62和指根轴向弧道69组成，指根适配器61套入指根轴向滑轨27，指根轴向滑轨27套入指根轴向弧道69；指根轴向弧道69连接指根轴向传感器26，指根轴向弧道69与指根轴向传感器26均又连接指根切向传感器60，以指根切向传感器60为静止参照，指根轴向弧道69与指根轴向传感器26可围绕指根切向传感器60的中轴转动。
70.指根轴向导轨31和指尖导轨系统30相连接，指根轴向导轨31插入指根滑道25；手指指节适配器62连接指节导轨系统28，指节导轨系统28连接指根适配器61；手指指尖适配器29连接指尖导轨系统30，指尖导轨系统30连接手指指节适配器62；手指轴向运动时，带动指根轴向导轨31，指根轴向导轨31带动指根滑道25旋转；指根轴向导轨31插入指根滑道25；指根轴向传感器26检测指根滑道25相对自身的角度；指根轴向传感器26与人体手指指根关节位置相对不变，人体手指指根长度不变，通过解算三角形，可获得人体手指指根相对角度；手指切向运动时，指根轴向弧道69带动指根轴向传感器26产生切向转动；指根切向传感器60直接读取指根轴向传感器26的相对角度，获得手指的切向角度。手指指节适配器62连接指节导轨系统28，指节导轨系统28连接指根适配器61。
71.与人体手指指根轴向运动检测同理，人体手指指节运动，带动手指指节适配器62。手指指节适配器62又带动指根适配器61上的角度传感器；指根适配器61上的角度传感器读取指节导轨系统28的相对角度；通过三角解算，得出人体手指指节的相对角度。
72.手指指尖适配器29连接指尖导轨系统30，指尖导轨系统30连接手指指节适配器62。亦同上理。
73.所述姿态捕捉器拇指33由指基适配器53、指尖适配器54和指节适配器55组成，指基适配器53上设置有指套或魔术贴，指基适配器53里嵌入一个姿态传感器；拇指指节和指节适配器55连接，指节适配器55连接指基适配器53；拇指指尖和指尖适配器54连接，指尖适配器54连接指基适配器53。指基适配器53可通过特制指套或魔术贴绑在人体手指拇指根部上；然后指基适配器53上的多余平面空间用于安装一个姿态传感器；将人体手指拇指根部关节作为万向节处理，所以使用姿态传感器。拇指位置独立，空间宽松，不需要导轨系统转换角度读取方式。拇指指节转动时带动指节适配器，指节适配器55直接带动指基适配器53上的姿态传感器。指基适配器53上的姿态传感器直接读取拇指指节的相对角度。拇指指尖同上理。
74.这里的拇指指节，拇指指尖说的就是人手指的部分，不是设计中的部件。
75.本发明的基础原理是通过读取人体现存手臂的运动，驱动体载机械臂进行模仿运动；姿态捕捉器3通过角度传感器亦或姿态传感器读取或解算手臂各关节的状态。用户群体大体为工程作业人员，使用机械臂操作物体的同时，需要有手动作业的自由。所以姿态捕捉器3的前臂部分设计有滑轨系统，以便用户随意穿戴或脱下手部及前臂姿态传感器。
76.体载机械臂又由4节组成。设计理念为满足不同空间、环境、和场景下的使用。可以两两臂节同轴，使整个机械臂模仿人体手臂的动作。也可以让2号臂体决定1号臂体的起点，
让一号臂体单独模仿人体手臂的动作。
77.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。