HOMIE外骨骼人形遥操系统-1.硬件系统详情

如图展示了 HOMIE 的硬件系统设计框架，它由三个主要组件构成：同构外骨骼手臂、一副运动传感手套和一个脚踏板。这些组件的主要结构元件采用 PLA 基材，通过 3D 打印技术制造而成。PLA 材料强度高且成本低，3D 打印的组件易于构建和修改。利用我们的 CAD 模型，也可以使用其他材料构建硬件。

B-A同构外骨骼细节

同构外骨骼采用中空榫卯结构设计，不仅保证了结构完整性，而且显著降低了整体重量和装配复杂性，并简化了伺服电机连接的布线。结构部件通过四种连接方式固定到伺服电机上：两种直接连接到伺服电机本体的方式（图17 (a)、(b)），以及两种连接到伺服电机盘片的方式（图17 (c)）。为了进一步增强稳定性和强度，在某些连接点，伺服电机的另一侧安装了额外的伺服电机盘片，使得结构部件能够直接连接到两侧的伺服电机盘片，如图17 (c)所示。图 18 (a)展示了适用于Unitree G1和Fourier GR1的同构外骨骼的物理模型。由于人形机器人的构造不同，两套同构外骨骼的腕部和肩部组件存在显著的结构差异，而其他组件及其用途则保持不变。两套外骨骼共用一个背部连接器，该连接器集成了操作员连接、对接站固定、U2D2放置和双臂联动等功能，如图18(b)所示。

图17：伺服机构和结构件的装配方法及螺钉要求如下：（a），（b）结构件直接装配并固定到伺服机构本体上；（c）结构件分别通过一个或两个伺服盘装配并固定到伺服机构上。

图 18：（a）两种不同人形机器人同构外骨骼的物理模型，配备伺服电机、背部连接器和运动感应手套；（b）背部连接器组件及其功能示意图，连接器可通过燕尾槽结构和插头固定。U2D2 板和扩展坞为外部物理组件。

B-B运动感应手套详情

Unitree G1 配备了 Unitree Dex3-1，这是一款三指灵巧手，具有 7 个自由度（拇指 3 个自由度，中指和食指各 2 个自由度）。我们的运动传感手套可追踪高达 15 个自由度的运动，从而能够将拇指、中指和食指的运动直接映射到 Unitree Dex3-1 上相应的手指。运动传感手套通过长度可调节的弹性带固定在手掌上，并通过五条较小的长度可调节弹性带连接到指尖，这有助于手指固定和关键角度映射，确保手套能够适应不同手型的操作者。手套掌部内置微控制器，其裸露的端口可直接连接到位于手指上的 15 个霍尔传感器模块，如图19 ( a)所示。各手指的关节映射角度范围和采集精度数据列于表 IX中。手套的每个手指都有三个自由度，如图19 ( a)所示，即指尖的俯仰运动（α），指腹的俯仰运动（β），以及指腹的偏航运动（γ由于拇指、小指和其他三根手指的结构长度不同，我们将它们分为三部分。需要注意的是，手指关节的角度运动与感应磁场变化引起的霍尔传感器读数变化之间并非呈现显著的线性关系。这与磁铁和霍尔传感器的位置以及手套的结构设计有关。在我们设计的运动传感手套中，两者之间的关系在其运动范围内呈指数模式，尤其是在手指和指腹的俯仰运动（从张开到握拳）中。此外，我们的手套已在 Inspire Dexterous Hands RH56DFTP 实际设备上进行了控制测试，如图 19 (b)所示。

图 19：（a）：每根手指三个自由度的示意图，以及磁铁旋转对磁场方向的影响。（b）： Inspire Hands 实际设备的实物照片，包括张开拳头和握拳两种状态。

表九：15自由度联合映射角度范围和采集精度（Acc:accuracy）

B-C脚踏板详情

如图 5所示，脚踏板由三个小踏板和两个模式切换按钮组成，全部固定在一个大底板上。

操作者踩下小踏板，带动结构部件旋转，从而驱动底部的电位器旋转。结构内的弹簧确保操作者松开踏板后，踏板能够回弹至初始位置，如图 20 (a) 所示。

我们使用的电位器型号为 0932，其角度调节范围为 270°，而实际踏板行程为 40°。至于模式切换按钮，操作者按下按钮表面的按钮，即可改变微动开关的高低电平，如图20 ( b)所示。锥形弹簧的功能与小踏板中的弹簧相同。

图 20：（a）：小型踏板原理示意图，操作者踩下脚踏板驱动电位器旋转。（b）：模式切换按钮原理图，操作者踩下脚踏板改变微动开关的状态。