一種腦電遠程控制的仿生機械手臂

西安思源學院 雷鴻春 高 康 甄慧慧 王能亮 李 祥 毛維培

一種腦電遠程控制的仿生機械手臂

西安思源學院 雷鴻春 高 康 甄慧慧 王能亮 李 祥 毛維培

該款仿生機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動信號，通過無線傳輸遠距離制定仿生機械手臂，實現機械臂與人腦意識和人臂的同步運動。機械手臂可實現五個自由度的運動，可靠的閉環控制系統可實現準確定位，準確抓取，來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，體現了人的智能和適應性。腦電遠程控制是該款仿生機械手臂的顯著特點。

機械手臂；TGAM模塊；同步；仿生

0.引言

仿生機械臂是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備，仿生機械臂作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等行業。機械臂作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。

現有的大多數機械手體積較大，有線傳輸，并需要在電腦客戶端進行編程等繁瑣的技術操作，操作難度大，不易攜帶。該款仿生機械手臂采用加速度傳感器和TGAM控制模塊，工作時結合手臂的運動和腦電信號的采集，通過無線傳輸遠程控制仿生機械臂的運動，實現物體搬運。腦電感應的控制設計方式填補了國內機械臂發展是一個空白。

一、仿生機械手臂工作原理

仿生機械手臂的機械臂主要由五個舵機和支架構成，能完成五個自由度的運動，可模仿人體胳膊關節的自由活動。控制部分由

TGAM模塊、加速度傳感器構成。機械臂和控制部分無線傳輸，可實現遠距離操作。加速度傳感器配帶在手臂上，手臂按作業要求上下、左右、前后、翻轉運動時，通過無線傳輸可控制仿生機械手臂做同步運動；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械手臂的抓取動作，兩者相結合可完美的實現像人手臂一樣的上下、左右、前后、翻轉和抓取運動，操作習慣與人體一致，符合人體的仿生學要求。

二、仿生機械手臂設計方案

仿生機械手臂由執行機構和控制機構兩大部分組成。

執行機構由底座1、舵機2、轉盤3、固定架4、舵機5、支架6、固定架7、舵機8、機械爪9、舵機10、舵機11和無線接收器組成，仿生機械手臂由五個舵機和支架構成一個五個自由度的活動手臂，能模仿人體胳膊關節的自由活動。仿生機械手臂執行機構結構示意圖如圖1所示。

圖1 仿生機械手臂執行機構結構示意圖

舵機2安裝在底座1上，并與轉盤3相聯，可帶動轉盤（3）在水平面上旋轉；舵機5位于轉盤3上，其上安裝有支架6，舵機5用于帶動支架6在豎直面上擺動；舵機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11位于舵機8的側方，二者固定連接、保持相對靜止，舵機11的輸出軸朝向上，其上安裝有機械爪9，舵機11用于帶動機械爪9旋轉；舵機舵機10安裝在機械爪9上，用于帶動機械爪9完成抓取動作；

控制機構由TGAM模塊、加速度傳感器和無線發射器組成。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。兩者與無線發射器有線相聯。

工作時，先將仿生機械手臂上的舵機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射器上。接通電源后，無線模塊進行藍牙配對。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、翻轉四個方向運動，通過無線傳輸就可控制仿生機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射器和無線接收器來實現信號傳輸，控制仿生機械手臂上的機械爪開合，實現抓取功能。通過控制加速度傳感器的運動和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、前后運動，抓取物品，實現肢體運動與意念完美匹配的仿生控制。

三、仿生機械手臂結構特點

該款仿生機械手臂采用TGAM腦電模塊對機械手臂抓取進行意念控制，并實時配合人體手臂的運動，完全模仿了人體的自然操作習慣，仿生效果十分完美。操作簡便，擺脫了電腦終端繁瑣的技術操作，直接利用人手傳感進行同步仿生控制。運動靈活，控制精確，機械臂與無線控制完美結合，可實現無線遠距離操作，抗干擾強。

四、結束語

該款仿生機械手臂滿足了人體學、仿生學和運動學方面的個性化設計。由加速度傳感器和TGAM模塊采集腦部電信號構成閉環控制系統，可以確保機械臂的準確定位。該款設計操作方便，易于實現，滿足了控制系統穩定性和精確控制的要求。該款仿生機械手臂可廣泛應用在機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等行業。市場潛力廣，使用范圍廣，有很好的使用推廣價值。

[1]王國彪．仿生機器人研究現狀與發展趨勢[J]．機械工程學報,2015(7)：51-13．

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

[3]李松,朱衍飛,陳奇．一種臂載式多功能機械手臂的設計[J]．機器人技術,2012(3)．

本文為國家級大學生創新訓練項目資助（編號：201613121003）。