基本信息
- 项目名称：
- 手臂动作控制的无线监控移动机械手
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品抛弃了传统的操纵杆、键盘等人工控制方式，提出一种全新的控制理念，也就是用人的手臂和手部动作的变化来实现对可移动的多自由度机械手的无线控制，使操作简单、直观，并适用于一定复杂环境；另外，本作品还装配了用于监控的无线摄像头，进一步扩大了本作品的适用范围，与此同时，本作品增加了目标自动定位功能，实现了一定的智能化，进一步提高了工作效率，达到了一定程度的人工与智能相结合。 本作品验证了用人手臂动作来控制机械手是可行的，结合此种控制方式直观、简单、人性化等优点，再对控制对象加以更专业的改进，可应用于军事、航空航天、医疗等领域。
- 详细介绍：
- 随着机械智能化和适应性的提高，机械手臂已被广泛应用于各行各业、各个领域，机器人技术水平的高低往往反应在机器人控制系统的性能和复杂程度上。同时随着人机交互与人工智能变得越来越重要，人机结合如何规划成为实现人机共存的重要一步。鉴于各种各样的控制模式，我们设计出用人的手臂和手部动作实现对可移动的多自由度机械手的无线控制系统。与此同时，本作品还提供了目标自动定位功能，在一定程度上体现了人工与智能相结合的理念。按系统功能结构划分，本系统包括移动机械手、手掌及手臂无线控制模块、无线视频图像传输模块与目标自动定位模块。 轮式移动机械手主要由机械手部分、小车部分以及主控板三部分构成。机械手主要由手部和运动机构组成。 手掌及臂无线控制模块以MSP430F149为控制核心，外接相应传感装置，置于手套和手臂相关组件中。 无线图像监控由无线摄像头及接收器、USB视频采集设备和上位机软件协同合作实现。摄像头置于轮式机械手上，对其作业环境进行监控。 目标自动定位模块由两个无线摄像头及接收器、USB视频采集设备和上位机软件协同合作实现。两个定位摄像头置于移动机械手平台上，实现对操作目标的定位。 硬件设计方面，分别介绍了MSP430F149的最小系统、ADXL202的配置电路以及MSP430F149的数据采集电路设计和工作原理。 程序设计方面，介绍了前后台程序结构、一阶滤波算法等，IAR FOR MSP430开发环境下编写的单片机程序和C++ Builder开发环境下编写的上位机软件。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- ★设计目的：改变传统的摇杆、键盘等控制方式，提出一种新的控制理念，用人的手臂和手部动作实现对移动机械手的无线控制，操作简单、直观，并适用于一定复杂环境；同时，增加了目标自动定位功能，实现了一定的智能化，进一步提高了工作效率。 ★基本思路：用人的手臂动作和手型姿势的变化实现无线操控整个移动机械手，通过无线视频进行运动监控，用来监视机械手作业环境、夹持对象和整个动作过程，使对机械手的控制与操控者的动作对应，达到较好的人机工效目的。在此基础之上，另外配备了两个用于目标定位的无线摄像头，提供了目标自动定位功能供使用者选择。 ★创新点：机械臂的操控方式抛弃了传统的键盘、摇杆等方式，通过观察摄像头获得的视频图像，可利用人的手和臂的动作，实现对轮式机械手动作的操控，使操作更为形象和准确。同时，本作品还为使用者提供了目标自动定位功能，移动机械手可以自动移动到操作目标处，等待使用者操作，进一步提高了工作效率的同时，实现了一定程度的人工与智能的结合。 ★关键技术：⑴动作传感器的设计⑵传感器信息处理⑶无线数据/视频传输⑷低功耗控制系统与监控程序设计⑸运动机械手结构与伺服电路设计⑹图像处理技术的使用等。 ★主要技术指标：⑴四轮驱动的轮式机械手运动底盘⑵五自由度可夹持物机械手⑶基于MSP430超低功耗单片机的机械手控制器⑷基于MSP430超低功耗单片机的手套式动作控制器⑸动作控制信息数字化无线传输系统⑹装载在机械手上的视频图像采集与无线传输系统。
科学性、先进性
- 本作品与普通机械手相比，最大的特色在于机械手的操控方式。本作品选择了用人的手臂和手部动作，通过无线数据传输的方式，直接实现对轮式机械手的运动及机械手动作的操作与控制。在摄像头和视频图像无线传输系统地支持下，对目标信息进行多方位的观察与定位，帮助整个系统完成任务。该作品可大大提高机械手的功能和操控的精确性、灵活性，拓宽了机械手的应用领域，这种先进性是传统机械手所不能相比的。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品在第七届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛荣获“特等奖”。 查新报告结论：在所检索的国内数据库中，已见有关利用上位机键盘控制的手动机械手及操纵杆控制的移动机械手等研究的文献报道，未见采用手臂动作的控制方式，在实现无线监控的基础上，应用图像处理技术，使得移动机械手不仅具备无线监控功能，还具备实现目标自动定位功能的公开文献报道。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品的特点及优势在于提出了一种全新的控制方法, 使用者通过佩戴手臂动作控制组件，借助手臂和手的动作变化，实现对移动机械手运行、抓物和搬动等动作的无线数据通信控制，使机械手的操作更加直观、精确和拟人化。同时，为了提高移动机械手的智能化控制技术水平，通过搭载的无线摄像头，可实现导航定位、行进搜索和目标抵近观察等功能，使得移动机械手可以自动定位并自主运动到目标近处，使用者随即可用手臂动作控制方式对机械手进行操作，进一步提高了工作效率，使移动机械手具备一定程度的人工智能能力，这是传统机械手无法相比的。 本作品测控技术先进，用途广泛，具有很强的功能扩展能力，可应用于国防安全、反恐防恐、航空航天、工业生产等领域，例如：排爆、战场侦查、危险品搬运等。若经改进后形成产品，一定会产生良好的社会效益和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 机器手是近几十年来涌现的一种工业技术装备，它能模仿人体上肢某些动作，在生产过程中代替人搬运物件或操持工具进行操作。目前，随着机械智能化和适应性的提高，机械手已被广泛应用于各种场合，国内外对于机械手也有相当先进的研究水平。 连接在国际空间站上的1个机器人系统移动维修系统MSS的主要部件－加拿大臂，就是一个功能强大的空间站远距离机械手系统。它可以自我重定位，能用像蠕虫一样的动作，点对点的移动至空间站的许多部分。 哈工大机器人研究所、机器人与机电一体化研究所研制出的新一代机器人灵巧手也属于国际前沿课题，它是一个新一代多传感器、高度集成的机器人灵巧手。诸如此类的研究，很多都是靠机器人的自主化、又或者是人工通过操作杆来对其进行控制，应该说这样的研究在国内外已经发展到一定的阶段。 虽然对于机械臂的研究已经不是一个全新的课题，但是对其的操作监控的准确性、实用性及现代化依然是我们不断探索的问题。可以说机器人的发展史也是机器人控制系统的发展史。近年来，随着服务机器人的快速发展，人与机器人之间的互动问题变得越来越重要，人机结合如何规划成为实现人机共存的重要一步。 在“美伊”战争中，美国派出一批可侦查的高度智能机器人，由于完全由机器人“自作主张”，对一些并非可疑的对象进行袭击，一个月后便被全部撤回。可见，完全的由机器人自主运行，还达不到最佳的效果。 另外，自从1994 年Ken Goldberg 建立了第一个基于Internet 的远程控制机器人系统Mercury Project 后，随着计算机技术、网络技术和多媒体技术的快速发展，计算机视频监控系统已经成为领域内的前沿和热点。 我们的作品尝试将人工控制、智能控制以及计算机视频监控技术融合在一起，目的是为了更好的让机器人为我们服务。我国的工业机器人技术及其工程应用水平和国外还有一定的差距。特别是在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约占全球已安装台数的0.4％，与国外相比有明显的差距。鉴于此，我们的作品只要稍加改装就可以应用于工业领域。我们希望通过这样的尝试为国家的机器人技术做出自己的一份贡献，尽管看起来很微小，却代表了我们对创新的不断追求。
