CN110434834A - 一种人机协作机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种人机协作机械臂，包括信号采集单元、信号转换单元、数据处理单元、蓝牙发射模块、蓝牙接收模块、驱动装置。所述信号采集单元粘贴于人体关节处，与信号转换单元和蓝牙发射模块依次连接；所述驱动装置设置于机械臂上，与数据处理单元和蓝牙接收模块依次连接；所述信号采集单元采集人体关节处的压阻信号和压电信号，信号转换将压阻信号和压电信号转换成数字信号，所述数字信号经蓝牙发射模块发射，由蓝牙接收模块接收，传送到数据处理单元，传输至驱动装置，驱动装置驱动机械臂运动。本发明可以提供一种对机械臂类似人体手臂的控制方式，适应能力更强，可以降低使用者学习成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感器、信号处理技术、智能控制等，属于人机交互，智能设备领域，具体地，涉及一种人机协作机械臂。
背景技术
如今许多恶劣与高危环境下的作业仍需人来完成，机械臂可以避免人直接面对恶劣与高危环境。而目前许多机械臂装置需要专业人员进行编程示教，而非直接同步人体动作。对于单一重复的作业，对机械臂编程示教是可行的，但是遇到变化多、不重复的作业，编程示教难以满足。人机同步的机械臂拥有更加类似人体手臂的运动与控制方式，适应能力更强，可以降低使用者学习成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种人机同步的机械臂。本发明的技术方案是通过以下技术方案实现的：.一种人机协作机械臂，包括信号采集单元、信号转换单元、数据处理单元、蓝牙发射模块、蓝牙接收模块、驱动装置。所述信号采集单元粘贴于人体关节处，与信号转换单元和蓝牙发射模块依次连接；所述驱动装置设置于机械臂上，与数据处理单元和蓝牙接收模块依次连接；所述信号采集单元采集人体关节处的压阻信号和压电信号，信号转换将压阻信号和压电信号转换成数字信号，所述数字信号经蓝牙发射模块发射，由蓝牙接收模块接收，传送到数据处理单元，再传输至驱动装置，驱动装置驱动机械臂运动。
所述信号采集单元为压电/压阻双模式柔性传感器，包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微结构为正四棱台微阵列，所述正四棱台的上底面边长和下底面边长的比值k与阵列高度h满足：
其中，为第一变量，具体为
为第二变量，具体为 为第三变量，具体为cij、eij和kij分别是弹性劲度常数、压电应力常数和介电常数；a2为正四棱台底面边长；F表示为压力，t为时间，R为电压表内阻，V为压电层的输出电压。
进一步地，所述正四棱台微阵列优选为金字塔形微阵列。
进一步地，所述正四棱台微阵列高度优选为h＝40μm。
进一步地，所述压电层通过以下方法制备：
(1)将1g BTO纳米颗粒浸泡于10mL H2O2，在90℃条件下浸泡6h使BTO纳米颗粒表面改性，得到h-BTO粉末，取出烘干。
(2)取步骤(1)制备得到的h-BTO粉末0.025g，溶解于10mL的DMF中，同时取0.225gP(VDF-TrFE)粉末溶解于另一份10mL的DMF中，随后将两份DMF溶液混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合溶液旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm×1cm，恒温干燥至固化成膜，再在120℃下退火处理2h随后降温，冷却到室温后，将复合薄膜从硅模板上剥离。
(4)在步骤(3)得到的复合薄膜的两个表面分别镀上100nm厚度的金电极，分别连接一根引线，并在具有微阵列表面的金电极上滴涂10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液，并干燥，在石墨烯表面连接一根引线，制备得到具有正四棱台微阵列的压电薄膜。
进一步地，所述压阻层通过以下方法制备：
(1)将PDMS与固化剂按照质量比10:1混合均匀，真空除气泡；
(2)将除去气泡的PDMS旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm×1cm，恒温干燥至固化成膜，并从硅模板上剥离；
(3)将10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液滴涂至具有微阵列的PDMS表面，并烘干，并在石墨烯表面引出一根引线，得到具有正四棱台微阵列的压阻层。
进一步地，所述信号采集单元贴于手肘、手腕、手指关节处。
进一步地，所述数据处理单元是将数字信号处理成速度、角度、方向信号。
进一步地，所述驱动装置为驱动器dm542。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：所采用的的信号采集单元由于其结构的特殊性(分层结构设计)，通过压电信号和压阻信号相互协作，在一定范围内，双模式传感器实现了从静态到动态，从低频到高频压力信息的检测。对于复杂加载历程的力或变形加载，双模式传感器可以实现加载历程中变形的大小、速率及方向检测。将双模式传感器应用于人体关节的弯曲变形中，解决了单存压阻传感器不能判别弯曲方向及弯曲速率的缺点，实现了弯曲角度、弯曲方向及弯曲速率的准确测量。因此，该人机协作机械臂不仅能同步人手臂运动的速率、角度、方向，且相比传统传感器更加精准，延时低，反应及时。
附图说明
图1为本发明人机协作机械臂信号处理的流程框图；
图2为本发明信号采集单元制作流程图；
图3为信号采集单元贴在手臂上的示意图；
图4为机械臂运动过程中，压电层和压阻层的传感性能图：4a为压电层输出的电压信号随弯曲速率变化的图像,4b为压电层的最小检测阈值，4c为压阻层输出的电流信号随弯曲角度变化的图像，4d为压阻层的最小检测阈值；
图5为信号采集单元输出的电压信号和电流信号；
图6为信号采集单元检测人体关节运动时产生的电信号；
图7为机械臂一个关节示意图。
具体实施方式
图1为本发明人机协作机械臂信号处理的流程框图，该人机协作机械臂，包括信号采集单元、信号转换单元、数据处理单元、蓝牙发射模块、蓝牙接收模块、驱动装置。所述信号采集单元粘贴于人体关节处，与信号转换单元和蓝牙发射模块依次连接；所述驱动装置设置于机械臂上，与数据处理单元和蓝牙接收模块依次连接；所述信号采集单元采集人体关节处的压阻信号和压电信号，信号转换将压阻信号和压电信号转换成数字信号，所述数字信号经蓝牙发射模块发射，由蓝牙接收模块接收，传送到数据处理单元，传输至驱动装置，驱动装置驱动机械臂运动。所述驱动装置为驱动器dm542。
所述信号采集单元为压电/压阻双模式柔性传感器，包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微结构为正四棱台微阵列，根据压电效应的本构方程：
其中cij、eij和kij分别是弹性劲度常数、压电应力常数和介电常数，σij为应力，εij为应变，D为电位移，E为电场强度。
当压电薄膜受到法向力作用时，σ11和σ22都等于0，上式(2)和(3)联立，表示为：
消去ε11，ε22和ε33得：
其中：D3为法相电位移，
又根据电场和电势之间的关系：
进一步得到压电薄膜的法相电位移为：
V为压电薄膜的输出电压，l为P(VDF-TrFE)膜的厚度。
根据麦克斯韦方程和欧姆定律，电流I的大小与电位移D3、电压V和电阻R有关，根据它们之间的关系：
其中，t为时间，A为压电薄膜受力面积。将电流I和电位移D3的消除后得到：
又
根据初始条件V(t＝0)＝0，输出电压V为：
式中：
为了进一步提高压电薄膜的压电效应，在平面薄膜表面引入正四棱台微阵列结构，相对于平面薄膜结构，四棱台结构在垂直方向上的截面积是不同的，压电薄膜受到的法向应力σ33在垂直方向上是相等的，而四棱台在垂直截面上的应力σ33是不同的。
设四棱台上表面的边长为a1，底部边长为高度为h。则四棱台的平均应力可表示为：
式中，定义几何参数k＝a2/a1。当k＝1时，正四棱台的上顶面的面积等于下底面的面积，可以看作为平面薄膜的一个微单元。从式(17)中可以看出当四棱台的高度h和底部边长a2不变时，上顶面边长a1越小，平均应力σ'33越大。为了得到正四棱台上下端面之间的输出电压值，将平均应力σ'33带入
从而得出：
从公式(1)中可以看到压电传感器的输出电压与正四棱台微结构与几何参数k和高度h成正比。所以为了提高压电传感层的传感性能，应该尽可能减小微结构上顶面的面积与增大微结构的高度。因此，当正四棱台为金字塔结构时，压电层传感性能达到最优。当金字塔微结构的底边变长为60μm时，目前的微结构加工技术可制备的最大高度为40μm。
如图2所示，所述信号采集单元是通过以下方法制得：
制备压电层：
(1)将1gBTO纳米颗粒添加到H2O2(35％，10mL)溶液中，超声1h，使BTO纳米颗粒充分分散在H2O2溶液中，然后在100℃下保持8h，最后离心并置于70℃的烘箱中干燥。
(2)取(1)中制备的h-BTO纳米颗粒25mg超声分散在10mlN，N-二甲基甲酰胺(DMF)中1h。
(3)将225mgPVDF-TrFE粉末溶解在10mlDMF中，然后将两份溶液混合，机械搅拌4h。
(4)将h-BTO/P(VDF-TrFE)溶液旋涂在硅模板上，硅模板尺寸为1cm×1cm，设定工作转速为1000r/min。整个过程分为三个阶段，其中第一阶段为启动阶段，使吸盘稳定加速到工作转速。当转速到达时，缓慢向硅模版上滴加溶液，保持转速30s，使溶液在硅模板上均匀覆盖。第三阶段降速归零，涂覆过程结束。
(5)取出覆盖着溶液的硅模板，放入真空干燥箱在恒温80℃干燥1h左右，固化成膜后，再在120℃下退火处理2h，以提高压电薄膜的结晶度。冷却到室温后，将薄膜从硅模板上剥离，这样在压电薄膜的一面上制备了金字塔微结构阵列。
(6)采用电子束蒸发技术在薄膜上、下表面制备金电极，用银胶在上、下电极两端各连接两条铜导线。将rGO旋涂到压电层的金字塔微结构上作为压阻层的上电极。
制备压阻层：
(1)首先把带有微结构的硅模板表面进行疏水处理，硅模板尺寸为1cm×1cm，将PDMS与固化剂按照10:1的质量分数比混合均匀，并抽真空除去气泡。
(2)接着将PDMS旋涂(1000rpm/min)到疏水处理后的表面，加热固化，待PDMS固化成膜后，在去离子水中将PDMS从硅模板表面剥离，得到具有金字塔微结构的PDMS表面。
(3)常温干燥后对具有金字塔微结构的PDMS表面进行等离子处理，增强PDMS的亲水性，使溶液中的石墨烯片能在微结构表面均匀分布。
(4)在带有金字塔微结构的PDMS表面旋涂rGO溶液(0.75mg/mL)，加热干燥后再反复10次旋涂rGO溶液(500rpm/min)。最后用银胶在rGO层上连接铜导线。
(5)最后进行封装。封装材料使用的是购于美国公司达康宁的PDMS，PDMS和固化剂的比例为10:1，在器件的封装过程中，先将PDMS旋涂在玻璃培养皿中，放置烘箱中，烘箱温度为80℃，放置5min，待到PDMS处于半固化状态，从烘箱去除，然后将压电层贴附在半固化的PDMS薄膜上；用同样的方法将压阻层贴附在另一片半固化的PDMS薄膜上。
将具有微结构的压阻层与压电层互锁，得到本发明的信号采集单元，所述信号采集单元可贴在手臂的手肘、手腕和各手指的关节处，当手臂运动时，信号采集单元跟随运动，产生电信号。如图3所示，是将信号采集单元贴于手臂上。
首先，对传感器的传感性能进行标定。将信号采集单元贴在机械臂上，当机械臂运动时，信号采集单元输出的压电信号可以检测机械臂关节处的弯曲速率，压阻信号可以检测关节的弯曲角度大小。压电层和压阻层的传感性能如图4所示，由此可以得出：压电层的传感灵敏度为0.04V/(°/s)，最小检测阈值为2°/s。压电电压与关节处弯曲速率的关系为Vout＝(r-2)×0.04。压阻层的传感灵敏度为0.125/(°)，最小检测阈值为3°，电流变化量与弯曲角度的关系为ΔI/I0＝(θ-3)×0.125。
通过设定程序来控制机械臂的运动过程，设机械臂向左弯曲为负方向，向右弯曲为正方向。用信号采集单元对机械臂的运动进行检测，图5为信号采集单元输出的电压信号和电流信号。根据电阻信号和电压信号的大小，信号转换单元计算出机械臂的弯曲角度和弯曲速度，可以重现其运动过程。譬如，在t＝15s处，由压电信号计算出速度为+20.8°/s，由压阻信号计算出角度为31.6°，可知此刻机械臂以20.8°/s的速度向右运动了31.6°。
标定完毕，将信号采集单元运用到人体关节运动的检测中。如图6所示，将信号采集单元紧密贴在人体的手腕处，当手腕向前弯曲时，压电层受到瞬间的刺激，输出一个正电压脉冲，同时电阻层电阻值变小，电流升高。电信号经导线传到信号转换单元中，信号转换单元由电压脉冲的峰值大小和公式Vout＝(r-2)×0.04计算出手腕弯曲过程中的平均弯曲速率；由压阻信号的大小和公式ΔI/I0＝(θ-3)×0.125计算出手腕处的弯曲角度大小。当手腕逐渐恢复到初始状态时，电压层输出负电压脉冲，电流值也逐渐减小。另外当手腕向后弯曲时，压电层输出负电压脉冲，压阻电流升高。通过信号采集单元和信号转换单元可以检测出人体手腕关节运动的多种信息，包括手腕弯曲方向、弯曲角度以及弯曲速率。
经过信号转换单元转化后的数字信号通过蓝牙传输到数据处理单元中。
图7为机械臂中示意图，机械臂内置有数据处理单元、蓝牙接收模块、。数据处理单元将传输过来数字信号转换成电信号，控制驱动器dm542，带动机械臂上的齿轮工作，从而使机械臂和人的动作同步。对于机械臂的控制包括以下几个步骤：
(1)信号采集单元随关节等产生形变，产生一系列的电信号。其中，压电层产生电压信号，压阻层产生电流信号。
(2)信号转换单元将信号采集单元采集的关节变化电信号转化为数字信号，具体工作原理如下：由采集到的电压信号和公式Vout＝(r-2)×0.04计算出关节弯曲速率并得到运动方向，由采集到的电流信号和公式ΔI/I0＝(θ-3)×0.125计算出关节的弯曲角度大小。转换后通过蓝牙传输到数据处理单元中。
(3)数据处理单元将传输过来的数字信号转换成电信号，给驱动装置输入信号，驱动装置驱动机械臂运动，从而使机械臂和人关节运动的速率、方向、角度始终一致。
Claims (8)
1.一种人机协作机械臂，其特征在于，包括信号采集单元、信号转换单元、数据处理单元、蓝牙发射模块、蓝牙接收模块、驱动装置。所述信号采集单元粘贴于人体关节处，与信号转换单元和蓝牙发射模块依次连接；所述驱动装置设置于机械臂上，与数据处理单元和蓝牙接收模块依次连接；所述信号采集单元采集人体关节处的压阻信号和压电信号，信号转换将压阻信号和压电信号转换成数字信号，所述数字信号经蓝牙发射模块发射，由蓝牙接收模块接收，传送到数据处理单元，再传输至驱动装置，驱动装置驱动机械臂运动。
所述信号采集单元为压电/压阻双模式柔性传感器，包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微结构为正四棱台微阵列，所述正四棱台的上底面边长和下底面边长的比值k与阵列高度h满足：
其中，为第一变量，具体为 为第二变量，具体为 为第三变量，具体为cij、eij和kij分别是弹性劲度常数、压电应力常数和介电常数；a2为正四棱台底面边长；F表示为压力，t为时间，R为电压表内阻，V为压电层的输出电压。
2.根据权利要求1所述人机协作机械臂，其特征在于，所述正四棱台微阵列优选为金字塔形微阵列。
3.根据权利要求1所述人机协作机械臂，其特征在于，所述正四棱台微阵列高度优选为h＝40μm。
4.根据权利要求1所述人机协作机械臂，其特征在于，所述压电层通过以下方法制备：
(1)将1g BTO纳米颗粒浸泡于10mL H2O2，在90℃条件下浸泡6h使BTO纳米颗粒表面改性，得到h-BTO粉末，取出烘干。
(2)取步骤(1)制备得到的h-BTO粉末0.025g，溶解于10mL的DMF中，同时取0.225g P(VDF-TrFE)粉末溶解于另一份10mL的DMF中，随后将两份DMF溶液混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合溶液旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm×1cm，恒温干燥至固化成膜，再在120℃下退火处理2h随后降温，冷却到室温后，将复合薄膜从硅模板上剥离。
(4)在步骤(3)得到的复合薄膜的两个表面分别镀上100nm厚度的金电极，分别连接一根引线，并在具有微阵列表面的金电极上滴涂10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液，并干燥，在石墨烯表面连接一根引线，制备得到具有正四棱台微阵列的压电薄膜。
5.根据权利要求1所述的人机协作机械臂，其特征在于，所述压阻层通过以下方法制备：
(1)将PDMS与固化剂按照质量比10:1混合均匀，真空除气泡；
(2)将除去气泡的PDMS旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm×1cm，恒温干燥至固化成膜，并从硅模板上剥离；
(3)将10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液滴涂至具有微阵列的PDMS表面，并烘干，并在石墨烯表面引出一根引线，得到具有正四棱台微阵列的压阻层。
6.根据权利要求1所述人机协作机械臂，其特征在于，所述信号采集单元贴于手肘、手腕、手指关节处。
7.根据权利要求1所述的人机协作机械臂，其特征在于，所述数据处理单元是将数字信号处理成速度、角度、方向信号。
8.根据权利要求1所述的人机协作机械臂，其特征在于，所述驱动装置为驱动器dm542。
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