[发明专利]基于惯性测量单元的机械臂及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于惯性测量单元的机械臂控制方法，尤其是通过惯性测量单元测量控制者手臂姿态来控制机械臂运动的机械臂控制方法。

背景技术

目前，现有的机械臂一般通过编程控制，或者使用按钮、摇杆等外部设备进行控制。前者多用于工业生产中完成重复性动作；后者主要用于有人操作的机械臂，如微创手术机器人、排爆机器人等，操作人员通过控制方法发送动作指令，控制机械臂的运动。但是使用按钮、摇杆等方法控制机械臂，需要经过专业训练，操作难度大、控制效率低。

发明内容

为了克服现有机械臂控制方法操作难度大、控制效率低的不足，本发明提供一种基于惯性测量单元的机械臂及其控制方法，该控制方法使用惯性测量单元感知操作人员的手臂动作，经过计算后对机械臂发送控制指令，操作人员手臂动作直接映射到机械臂上，操作简单、直观、效率高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

　　一种基于惯性测量单元的机械臂，包括机械臂和机械臂控制器，

所述的机械臂控制器包括惯性测量单元和数据融合计算单元，在操作人员的上臂、小臂和手腕上分别安装惯性测量单元，所述的惯性测量单元包括磁阻传感器、加速度计、角速率陀螺仪，能够分别测量载体的航向角、加速度、运动角速率，惯性测量单元将测量数据输入到数据融合计算单元，数据融合计算单元解算后的载体姿态角数据输出到所述的机械臂。

所述的机械臂使用舵机作为驱动动力，具有6个自由度，其中腕关节舵机、小臂旋转舵机、小臂弯曲舵机、上臂旋转舵机、肩关节弯曲舵机、肩关节旋转舵机依次相连，两个肩关节舵机固定于底座上。

所述的数据融合姿态计算单元为ATmega8单片机。

一种所述的机械臂的控制方法，所述的惯性测量单元测量操作人员手臂的姿态，然后将姿态数据发送到数据融合计算单元，计算出机械臂各电机的旋转角度，然后发送到机械臂的电机控制器，控制机械臂做出与操作人员手臂动作相同的动作。

所述的数据融合计算单元采用计算空间向量夹角的方法来得到载体姿态角数据，使用姿态余弦矩阵来表示载体坐标系各轴相对导航坐标系的角度，根据加速度计和磁阻传感器的数据，修正陀螺仪数据抖动产生的角度偏移。

所述的机械臂使用舵机作为驱动动力，具有6个自由度，其中腕关节舵机、小臂旋转舵机、小臂弯曲舵机、上臂旋转舵机、肩关节弯曲舵机、肩关节旋转舵机依次相连，两个肩关节舵机固定于底座上。

本发明的有益效果：

使用本发明方法控制机械臂，机械臂跟随操作人员的手臂动作而运动，操作人员的动作直接表现在机械臂的运动上，这种控制方法相较于使用按键、摇杆等方法更直观，操作难度低，控制效率高，即使没有经过专业训练，也能完成对机械臂的控制。

通过惯性测量单元测量操作人员手臂的运动，直接控制机械臂运动，机械臂动作与操作人员手臂动作一致，操作难度低、控制效率高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1是惯性测量单元硬件架构示意图；

图2是六自由度机械臂结构与电机设置部位示意图；

图3是人手臂在西北天地理坐标中的抽象化示意图；

图4是机械臂控制器与机械臂硬件架构。

具体实施方式

图1为本发明一个实施例的惯性测量单元硬件架构示意图，惯性测量单元集成了磁阻传感器、加速度计、角速率陀螺仪，能够测量载体的航向角、载体加速度、载体运动角速率，传感器将测量数据通过数据接口输入到数据融合解算单元，在数据融合解算单元中，通过对三个传感器数据进行数据融合，计算后的载体姿态角数据输出，比如通过串口或者其他已知的方式；本实施例可以使用ATmega8单片机作为数据融合姿态解算单元，通过I²C接口读取角速率陀螺仪、加速度计、磁阻传感器的数据，使用姿态余弦矩阵来表示载体坐标系各轴相对导航坐标系的角度，使用加速度计和磁阻传感器，修正陀螺仪数据抖动产生的角度偏移。

本发明中的机械臂结构设计可以采用如图2所示，使用舵机作为驱动动力，具有6个自由度，其中腕关节舵机1、小臂旋转舵机2、小臂弯曲舵机3、上臂旋转舵机4、肩关节弯曲舵机5、肩关节旋转舵机6依次相连，两个肩关节舵机固定于底座7上。