一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及机器人位姿传感领域，尤其涉及一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法，包括多个光电传感单元、数据采集模块和数据处理模块，光电传感单元均包括分别设置在多段连续体机器人的相邻两个关节操作单元的相对面上的反光件和光电敏感元件；反光件用于接收光电敏感元件发出的光并将其反射回光电敏感元件上；当关节操作单元发生转动时，光电敏感元件的响应电信号会发生改变；数据处理模块被配置为：根据响应电信号利用预设函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；根据多个相对转动角度确定多段连续体机器人的运动姿态。本发明专利技术克服了现有的监测设备无法安装在具有多段连续结构的机器人的问题。构的机器人的问题。构的机器人的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法


[0001]本专利技术涉及机器人位姿传感领域，尤其涉及一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法。

技术介绍

[0002]手功能康复外骨骼辅助脑卒中患者重复进行标准正确的仿生康复训练，有助于改善康复训练效果，但对外骨骼的精确控制提出了很高的要求。外骨骼的位姿监测是进行精确闭环控制的关键技术之一。此外，位姿监测还可以帮助记录患者在康复训练过程中病情，辅助评估康复效果，以便及时调整康复方案，完善康复训练。多段连续结构手功能康复外骨骼，其特点是整体结构小巧，由多个相同规格的零件通过转动副连接而成，可实现连续变形，避免了康复机器人的关节与人体关节严格对中的难题，但是姿态监测时测量点多，而现阶段的位姿监测的解决方案诸如基于计算机视觉的运动跟踪技术、光纤传感、电磁传感和分布式位姿传感等均无法将测量元件安装在所提出的多段连续手指外骨骼。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法，克服现有的监测设备无法安装在具有多段连续机器人的问题。
[0004]一方面，本专利技术提供一种多段连续体机器人的位姿监测系统，包括多个光电传感单元，模数转换模块，数据采集模块，数据处理模块，其中：
[0005]所述光电传感单元均包括分别设置在多段连续体机器人的相邻两个关节操作单元的相对面上的反光件和光电敏感元件；其中，所述反光件用于接收光电敏感元件发出的光并将其反射回所述光电敏感元件上；当关节操作单元发生转动时，位于关节操作单元一侧的光电敏感元件的响应电信号会发生变化；
[0006]所述模数转换模块用于接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个所述响应电信号进行模/数转换；
[0007]所述数据采集模块用于采集转换后的多个响应电信号并将转换后的多个响应电信号发送至数据处理模块；
[0008]数据处理模块被配置为：根据转换后的每个响应电信号分别利用预设的标定函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；
[0009]根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的位姿。
[0010]优选的是，所述光电敏感元件包括发光二极管和光电三极管，所述发光二极管用于连续发出不可见红光，所述光电三极管用于接收反光件反射回的光强，并根据光强的变化来输出响应电信号。
[0011]优选的是，还包括外接电阻，所述外接电阻用于保护电路和调节光电传感单元的输入输出特性。
[0012]优选的是，所述反光件为漫反射反光件。
[0013]优选的是，所述光电传感单元的个数和关节操作单元个数相同。
[0014]优选的是，所述光电敏感元件、外接电阻、模数转换模块均是通过表面贴装技术焊接在柔性印制电路板上。
[0015]优选的是，所述关节操作单元一侧形成有凹槽，所述光电敏感元件位于所述凹槽内。
[0016]另一方面，本专利技术还提供一种多段连续体机器人的位姿监测方法，包括：
[0017]多个光电敏感元件均实时输出响应电信号，其中响应电信号是当关节操作单元发生转动时，位于关节操作单元一侧的光电敏感元件接收到反光件反射回的光后所输出的电信号；
[0018]模数转换模块接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个所述响应电信号进行模/数转换；
[0019]数据采集模块采集转换后的多个响应电信号并将转换后的多个响应电信号发送至数据处理模块；
[0020]数据处理模块根据转换后的每个响应电信号分别利用预设函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；并根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的运动姿态。
[0021]相比于现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术的位姿监测系统能够应用在具有体积小、测量点量大的多段连续结构机器人上；采用贴片式光电敏感元件，保证光电传感单元的整体尺寸小，易于安装于小巧的多段连续机器人中；采用柔性印制电路板作为基底材料布置线路，使光电传感单元实现连续变形，在安装到连续机器人上以后，不影响其运动；采用光学信息测量，但无需刻画码盘或者光栅等，能够实现批量机加工，避免了手工加工引入的制造误差，能够保证传感器精度以及可靠性，降低加工成本。
附图说明
[0022]图1为多段连续体机器人的示意图；
[0023]图2为光电传感单元的安装示意图；
[0024]图3为食指近指关节处光电传感单元的测量原理图；
[0025]图4为光电传感单元的测量原理图；
[0026]图5为光电传感单元的电路图；
[0027]图6为实施例1中不包含步进电机电源的确定外接电阻阻值实验装置图；
[0028]图7为实施例1中位姿监测系统的电路示意图。
具体实施方式
[0029]为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施方式。
[0030]参见图1，多段连续体机器人，包括手指驱动机构，手指驱动机构通过魔术贴粘贴在手套模块上，手指驱动机构和直线推杆电机连接，直线推杆电机固定于装载台上，装载台连接在手套模块上，装载台位于患手前臂处；手指驱动机构包括覆盖上述各外骨骼手指的掌指关节端、近指关节端以及远指关节端的外骨骼食指驱动机构、外骨骼中指驱动机构、外骨骼无名指驱动机构、外骨骼小指驱动机构以及外骨骼拇指驱动机构。
[0031]外骨骼食指驱动机构、外骨骼中指驱动机构、外骨骼无名指驱动机构、外骨骼小指驱动机构和外骨骼拇指驱动机构均包括弹簧片1以及套在弹簧片1上的多段连续结构，多段连续结构由多个关节操作单元连接而成。由于多段连续结构的可连续形变的特性，当电机做伸出动作时，弹簧片1可以驱动手指外骨骼贴合人手，辅助其进行符合人手正常运动规律的运动。
[0032]外骨骼食指驱动机构的结构如图2所示，弹簧片1的一端固定于位于指尖处的关节操作单元上，另一端与直线推杆电机的推杆连接，弹簧片1作为传动零件，一端固定于手指指尖的关节操作单元上，另一端固定在直线电机的输出端。参见图3，以食指近指关节处为例，该段的关节操作单元有6个，包括第一关节操作单元2、第二关节操作单元3、第三关节操作单元4、第四关节操作单元5、第五关节操作单元6、第六关节操作单元7。其中，相邻的关节操作单元绕固定的转动中心转动，例如第四关节操作单元5相对于第三关节操作单元4绕转动中心转轴8转动。其余关节处的关节操作单元的连接方式与转动原理与食指近指关节处的相同，这里不过多赘述。
[0033]参见图2、图3，一种多段连续体机器人的位姿监测系统，包括多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，包括，多个光电传感单元，模数转换模块，数据采集模块，数据处理模块，其中：所述光电传感单元均包括分别设置在多段连续体机器人的相邻两个关节操作单元的相对面上的反光件和光电敏感元件；其中，所述反光件用于接收光电敏感元件发出的光并将其反射回所述光电敏感元件上；当关节操作单元发生转动时，位于关节操作单元一侧的光电敏感元件的响应电信号会发生变化；所述模数转换模块用于接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个所述响应电信号进行模/数转换；所述数据采集模块用于采集转换后的多个响应电信号并将转换后的多个响应电信号发送至数据处理模块；数据处理模块被配置为：根据转换后的每个响应电信号分别利用预设的标定函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的位姿。2.根据权利要求1所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，所述光电敏感元件包括发光二极管和光电三极管，所述发光二极管用于连续发出不可见红光，所述光电三极管用于接收反光件反射回的光强，并根据光强的变化输出不同的响应电信号。3.根据权利要求2所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，还包括外接电阻，所述外接电阻用于保护电路和调节光电传感单元的输入输出特性。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，何博，吴宗林，张超宙，徐光华，陶唐飞，谢俊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：