專利名稱：一種測力機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測力的機器人，特別涉及一種測量腕力、臂力的機器人。
背景技術：
目前國內如天津、嘉定兩地科技館的測力裝置大致有二類①一個施力手柄+連桿機構+彈簧+指針的測力盤，其優(yōu)點是結構簡單造價低，可以粗略地得到人的臂力值大小，缺點是測試精度低，沒有趣味性，在天津科技館基本沒見到有觀眾動手測力。②通過運動一個手柄和連桿機構，將水裝入水箱，當水箱中的水滿到一定程度，可以啟動發(fā)電機發(fā)電，它的優(yōu)點是有一定的趣味性，參與者可達到一定的運動量，缺點是沒有定量的測試，參與者參與后一笑了之。
2．國內科技館中的機械手在天津、嘉定的科技館都有機械手的簡單模型，但基本上是連桿機構，可由參與者操縱作夾持和移動目標物體的工作。
本實用新型的目的是研制一種檢測腕力、臂力的機器人，通過機器人和測力者掰手腕比賽的方式，檢測測力者的腕力、臂力、爆發(fā)力和持久力。
本實用新型的技術內容是一種測力機器人包括受力手掌(1)、腕測力傳感器(2)、腕減速齒輪和電機(3)、機械臂(4)、臂測力傳感器(5)、臂減速齒輪和電機(6)、人體像(7)、機械臂支撐平臺(8)、緊急制動手柄(9)測力者握把(10)其特征在于人體像(7)采用坐姿，由硬質塑料壓制而成坐落在機械臂支撐平臺(8)上，機械臂本體由合金鋼材料制造，外面覆蓋軟質橡膠皮膚，機臂控制連接著二軸驅動控制板，A/D、D/A數(shù)據(jù)采集和模擬轉換板，腕力、臂力傳感器、驅動和力反饋裝置即機械臂減速齒輪和電機(6)連接機械臂測力傳感器(5)通過機械臂(4)再連接腕減速齒輪和電機(3)、機械腕測力傳感器(2)和受力手掌(1)，緊急制動手柄(9)和測力者握把(10)固定在機械臂支撐平臺(8)上；在機械臂的腕關節(jié)2處，放置一臺二維力傳感器，用來檢測測力者腕部在X和Y兩個方向的力，在肘關節(jié)N2處放置一臺一維力傳感器，用來測試測力者的臂力，腕力、臂力傳感器均采用應變式力傳感器，關節(jié)N1和關節(jié)N2的驅動電機均擬選用永磁式無刷直流電機；支撐平臺整體結構和布置基本上與目前掰腕力比賽的專用桌一樣，即面上有兩塊放肘關節(jié)的圓墊，其中一個固定在機械臂的肘關節(jié)下方，另一塊固定在一個升降可調節(jié)的螺紋螺桿機構上，其高度可通過電動調節(jié)和固定，使身高不同的測力者都可以比較舒適地和機械臂角力，臺面上有供人體像和測力者的另一支手抓握的握把，在測力者的握把(10)上帶有啟動和停止開關，緊急制動手柄(9)可由測力者和管理人員操作；N1和N2關節(jié)驅動電機均有限位設置，確保腕關節(jié)轉動左右不超過60°，肘關節(jié)轉動左右不超過175°，在桌面適當位置，敷設海綿軟墊以保證在萬一情況下，測力者也不會受到傷害，主臂前端手掌及所有傳輸部件全部用合金鋼制造，設計時取安全系數(shù)3～5倍，以保證有足夠的抗過載能力；測力機器人的機械臂腕和肘N1和N2關節(jié)，由直流伺服電機和諧波齒輪減速機械驅動，通過碼盤檢測關節(jié)位置，由腕力和臂力傳感器檢測機械臂所受到的力，通過攝像機選取場景并形成壓縮圖象。
本實用新型的有益效果是1．該機器人由二關節(jié)機械臂、支撐平臺、傳感器、安全防護組成，它涉及機器人結構、機器人控制、機器人內部和外部傳感器、機器人視覺等多種當代科技前沿的基本知識。特別是測力機器人還引入了力覺反饋，它涉及當前熱門學科虛擬現(xiàn)實中的力覺臨場感技術，是目前國內外一般機械手都不具有的技術。
2．測力者和機器人進行掰腕力比賽有勝、有負、有相持、有反復，有和真人掰腕子的感覺，可增強其競爭意識。在比賽過程中有燈光和音響烘托比賽效果，增加青少年參與活動的興趣。攝像機將比賽過程的圖像記錄下來，賽后可根據(jù)測力者的要求輸出圖片，給測力者留下永久的紀念，也使科技館方面有一定的經濟收益。


圖1是測力機器人的測力結構示意圖。
圖2是測力機器人的機械臂支撐平臺示意圖。
以下結合附圖對本實用新型進行詳細說明圖1是測力機器人的測力結構示意圖。為了使比賽更具有真實感，從機械臂的肘關節(jié)向上引出一個模擬人的機械臂和人體像，人體像采用坐姿，由硬質塑料壓制或木質做成。
機械臂外形尺寸為主臂20～25cm，手掌6～8cm。機械臂本體由合金鋼材料制造，外面覆蓋軟質橡膠皮膚。
機械臂有二個關節(jié)(肘關節(jié)、腕關節(jié))，包括驅動和控制裝置，腕力和臂力傳感器。它的肘部關節(jié)固定在支撐平臺上，和人體像7伸出的大臂相連，機械臂用木質或塑料作成類似人的手和臂的外殼。
根據(jù)測力者本身和其在賽前選定測力機器人的等級，測力者可能掰倒機器人，也可能被機器人掰倒，在比賽中還可能有相持和反復的過程出現(xiàn)。比賽結束，可給出測力者比賽中的發(fā)力過程曲線，并具體給出測力者的腕力和臂力的最大值，以及爆發(fā)力(最大沖力)和持久力等分析結果。
測力機器人分以下五個等級神力最大臂力1000牛頓超人最大臂力700牛頓力士最大臂力500牛頓壯漢最大臂力300牛頓小鬼最大臂力100牛頓機械臂受力分析Mp和Fp為被測者施加于手爪上的力和力矩，考慮到其二自由度的特點，設該力和力矩為作用合力和合力矩被分解在各自由度上的分量。則通過分解關節(jié)1可得到F1’=F1=Fp，F(xiàn)2=F1’=F1=Fp因此M1=Mp+LFp，M2=Fp(L1+L)+Mp伺服驅動和傳動機構在關節(jié)N1、關節(jié)N2旁安裝的力敏傳感器2和5，以感知Mp和Fp。據(jù)此調節(jié)直流伺服電機的轉矩。設最大臂力為100kg，則肘關節(jié)最大作用力矩為30cm×100kg=294N.m。擬定減速箱傳動比為30∶1，則電機最大輸出力矩應為10N.m左右。
關節(jié)N1和關節(jié)N2的驅動電機均選用永磁式無刷直流電機，這種電機優(yōu)點是起動力矩大、電機常數(shù)大、響應速度快、調速范圍廣。如日本SEICO和美國Motrenetics聯(lián)合研制的RS系列高轉矩電機，它還裝配有放大裝置及速度傳感器。
驅動控制與力反饋控制速度傳感器一般采用絕對量光學碼盤，在測力者接觸開始階段檢測轉子位移量得到速度，通過D/A轉換提供相應電壓，以驅動電機來抵抗測力者施加的作用力。
在相持階段根據(jù)測力者預先選定的力等級，實時檢測肘、腕關節(jié)傳感器的輸出，在機械臂的腕關節(jié)處，放置一臺二維力傳感器，用來檢測測力者腕部在X和Y兩個方向的力，在肘關節(jié)處放置一臺一維力傳感器，用來測試測力者的臂力。腕力、臂力傳感器均采用應變式力傳感器。
兩級關節(jié)驅動電機均有限位設置，確保腕關節(jié)轉動左右不超過60°，肘關節(jié)轉動左右不超過175°。同時設置兩個制動開關，開關有兩個功能，既可做為電機啟動開關，又可做為電機制動開關。測力機器人占用空間2m(W)×3m(L)×2.3m(H)圍觀者占用面積1m(W)×3m(L)在測力者接觸開始階段檢測轉子位移量得到速度，通過D/A轉換提供相應電壓，以驅動電機來抵抗測力者施加的作用力。在相持階段根據(jù)測力者預先選定的力等級，實時檢測肘、腕關節(jié)傳感器的輸出，并綜合速度傳感器輸出和手臂與測力者肘部圓墊的相對位置，通過綜合算法，得出合適的驅動電壓來驅動電機運轉，達到與外力抗衡或勝過或負于被測者的預定目標。
圖2是測力機器人的機械臂支撐平臺示意圖。支撐平臺整體結構和布置基本上與目前掰腕力比賽的專用桌一樣，即臺面上有兩塊放肘關節(jié)的圓墊，其中一個固定在機械臂的肘關節(jié)下方，另一塊固定在一個升降可調節(jié)的螺紋螺桿機構上，其高度可通過電動調節(jié)和固定，使身高不同的測力者都可以比較舒適地和機械臂角力。臺面上還有兩個供人體像和測力者的另一支手抓握的握把10，在測力者的握把10上帶有啟動和停止開關。機械臂支撐平臺8下方留有一定的空間，安放驅動控制裝置。支撐平臺的臺腳通過螺栓和地面固定；供測力者坐的座椅采用高度可升降的高腳椅，可通過手動或電動調節(jié)，以方便不同身材的測力者就座。
為了防止出現(xiàn)意外情況危害測力者的人身安全，機械手除了限定手臂的活動范圍和運動速度外，在測力者的非施力手的抓握手柄上和操作員處同時設置緊急制動手柄9，不但可通過控制裝置使測力機器人停止運動，而且可以切斷動力電源，形成雙重保險。另外，在桌面適當位置，敷設海綿軟墊以保證在萬一情況下，測力者也不會受到傷害。主臂前端手掌及所有傳輸部件全部用合金鋼制造，設計時取安全系數(shù)3～5倍，以保證有足夠的抗過載能力。
權利要求1．一種測力機器人包括受力手掌(1)、腕測力傳感器(2)、腕減速齒輪和電機(3)、機械臂(4)、臂測力傳感器(5)、臂減速齒輪和電機(6)、人體像(7)、機械臂支撐平臺(8)、緊急制動手柄(9)、測力者握把(10)其特征在于人體像(7)采用坐姿，由硬質塑料壓制而成坐落在機械臂支撐平臺(8)上，機械臂本體由合金鋼材料制造，外面覆蓋軟質橡膠皮膚，機臂控制連接著二軸驅動控制板，A/D、D/A數(shù)據(jù)采集和模擬轉換板，腕力、臂力傳感器、驅動和力反饋裝置即機械臂減速齒輪和電機(6)連接機械臂測力傳感器(5)通過機械臂(4)再連接腕減速齒輪和電機(3)、機械腕測力傳感器(2)和受力手掌(1)，緊急制動手柄(9)和測力者握把(10)固定在機械臂支撐平臺(8)上；在機械臂的腕關節(jié)(2)處，放置一臺二維力傳感器，用來檢測測力者腕部在X和Y兩個方向的力，在肘關節(jié)(5)處放置一臺一維力傳感器，用來測試測力者的臂力，腕力傳感器(2)、臂力傳感器(5)均采用應變式力傳感器，關節(jié)N1和關節(jié)N2的驅動電機即腕減速齒輪和電機(3)和臂減速齒輪和電機(6)均用永磁式無刷直流電機；機械臂支撐平臺(8)整體結構和布置基本上與目前掰腕力比賽的專用桌一樣，即臺面上有兩塊放肘關節(jié)的圓墊，其中一個固定在機械臂的肘關節(jié)下方，另一塊固定在一個升降可調節(jié)的螺紋螺桿機構上，其高度可通過電動調節(jié)和固定，使身高不同的測力者都可以比較舒適地和機械臂角力，臺面上有供人體像和測力者的另一支手抓握的握把(10)，在測力者的握把(10)上帶有啟動和停止開關，在測力者的非施力手的抓握手柄上和操作員處同時設置緊急制動手柄(9)，不但可通過控制裝置使測力機器人停止運動，而且可以切斷動力電源，形成雙重保險；N1和N2關節(jié)驅動電機均有限位設置，確保腕關節(jié)轉動左右不超過60°，肘關節(jié)轉動左右不超過175°，在桌面位置，敷設海綿軟墊以保證在萬一情況下，測力者也不會受到傷害。
專利摘要一種檢測腕力、臂力的機器人,測力機器人的機械臂腕和肘N1和N2關節(jié),由直流伺服電機和諧波齒輪減速機械驅動,通過碼盤檢測關節(jié)位置,由腕力和臂力傳感器檢測機械臂所受到的力,經攝像機選取場景并形成壓縮圖象,通過機器人和測力者掰手腕比賽的方式,檢測測力者的腕力、臂力、爆發(fā)力和持久力。
文檔編號B25J11/00GK2432019SQ00221018
公開日2001年5月30日 申請日期2000年7月10日 優(yōu)先權日2000年7月10日
發(fā)明者葛運建, 孫怡寧, 丁力, 高理富, 白萍 申請人:中國科學院合肥智能機械研究所