一种用于辅助作业的可穿戴机器人及控制方法技术

本发明专利技术涉及一种用于辅助作业的穿戴式机器人及控制方法，应用于飞机装配过程，辅助工人完成作业，针对操作人员的身高尺寸和工作场景不同的问题，可以改变穿戴式机器人的结构，适应不同的工作环境。本发明专利技术包括可穿戴辅具、变自由度机械臂和传感检测模块，可穿戴辅具穿戴于人体肩部，变自由度机械臂固定在可穿戴辅具上；变自由度机械臂由肩部模块、肘部模块、腕部模块、末端执行模块组成，模块之间通过安装盘与薄壁连杆进行连接，安装盘可以沿薄壁连杆内部的限位凹槽上下移动，实现模块之间的展开和收缩；传感检测模块包括薄膜压力传感器、惯性测量单元、力感知模块、运动和手势识别模块和视觉模块，用以实现穿戴式机器人与工作环境的交互。的交互。的交互。

【技术实现步骤摘要】
一种用于辅助作业的可穿戴机器人及控制方法


[0001]本专利技术涉及可穿戴机器人
，具体是一种用于辅助作业的外肢体机器人。

技术介绍

[0002]外肢体机器人是指可以通过穿戴方式固定于人体并能协助人体完成一定任务的机器人，是一种新型的可穿戴机器人。与外骨骼机器人和假肢不同，可穿戴机器人是对人类肢体的拓展，通过机械肢体与人类肢体的对接融合、互助协作来提升人体的活动、感知和操作等能力。可穿戴机器人与原有肢体不存在绑缚关系，相当于人体额外肢体，可以帮助人体完成很多仅通过原有肢体无法完成的任务，在工业生产、医疗康复、助老助残及生活服务等领域都有着广阔的应用前景。例如，在飞机装配天花板过程中，使用外肢体辅助安装天花板，可以代替传统的双人协作安装方法，减少人力成本。然而，在使用外肢体用于辅助作业任务中，也存在着一些问题，不同操作人员的身高尺寸是不相同的，而且不同工作场景的工作高度也存在差异。
[0003]经对现有技术文献的检所发现：
[0004]中国专利(申请号202023121159.9)：一种可伸缩的仿生外肢体机械臂。该专利主要提供了一种可以进行伸缩的仿生外肢体机械臂，基于仿生理念，参考人体手臂模型配置其自由度与构型，并引入了伸缩自由度，不影响灵巧性的基础上增加了作业空间。然而该外肢体机械臂只具有一个伸缩关节，且伸缩前后自由度没有发生改变；在非工作状态下，占用空间较大，并且其外肢体模块设计为整体结构，不易拆卸。
[0005]中国专利(申请号202023121258.7)：一种具有流线型外壳的可折叠伸缩外肢体机械臂，该机械臂由伸缩模块和多个旋转模块组成，伸缩模块可进行二级伸缩，增加了作业空间；旋转模块可进行折叠，使外肢体机械臂在非工作状态下结构紧凑。但是其模块之间无法进行伸缩，且其伸缩功能通过舵机来实现主动收缩，伸缩前后自由度未发生改变。
[0006]故需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。

技术实现思路

[0007]针对以上问题，本专利技术提供了一种用于辅助作业的可穿戴机器人及控制方法，可以根据穿戴人员的身高尺寸和工作场景的不同改变可穿戴机器人自身的结构，适应不同的工作环境。
[0008]为实现上述目标功能，本专利技术用于辅助作业的可穿戴机器人控制方法采用如下技术方案：
[0009]一种用于辅助作业的可穿戴机器人控制方法，该机器人包括可穿戴辅具及连接于可穿戴辅具上端的变自由度机械臂；变自由度机械臂包括肩部模块、肘部模块、腕部模块、末端执行模块；肩部模块包括安装在穿戴辅具顶部的肩部驱动单元及安装于肩部驱动单元上的肩部薄壁连杆；所述肩部薄壁连杆内部设有空腔且该空腔底部设有第一薄膜压力传感器；肘部模块包括肘部驱动单元及安装于肘部驱动单元上的肘部薄壁连杆，肘部薄壁连杆
内部设有空腔且该空腔底部设有第二薄膜压力传感器；腕部模块包括腕部驱动单元及腕部连杆，末端执行模块安装于腕部连杆前端；所述肘部模块位于肩部薄壁连杆内部并可相对肩部薄壁连杆伸缩；腕部模块位于肘部薄壁连杆内部并可相对肘部薄壁连杆伸缩；
[0010]该方法包括以下步骤：
[0011](1)操作人员与可穿戴机器人建立通信连接，并发送任务开始信号；
[0012](2)可穿戴机器人获取当前工作模式信息；根据第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器产生的信号，判断可穿戴机器人所进入的工作模式；可穿戴机器人具有4种工作模式；模式0为腕部模块收缩于肘部模块中并压迫第二薄膜压力传感器，肘部模块收缩于肩部模块中并压迫第一薄膜压力传感器，机械臂自由度为4；模式1为腕部模块延伸出肘部模块；肘部模块收缩于肩部模块中，机械臂自由度为5；模式2为腕部模块收缩于肘部模块中，肘部模块延伸出肩部模块，机械臂自由度为5；模式3为腕部模块延伸出肘部模块，肘部模块延伸出肩部模块，机械臂自由度为6；
[0013](3)获取工作场景到人体头部的位置信息；
[0014](4)根据所述的位置信息判断工作场景是否处于当前工作模式的范围内；
[0015](5)若所述的位置信息不处于当前工作模式的范围内，根据位置信息选择合适的工作模式；
[0016](6)可穿戴机器人向操作人员发送工作模式信息，操作人员根据工作模式信息调整构型；
[0017](7)操作人员发送任务结束信号，可穿戴机器人接收信号后重新获取调整后的工作模式信息。
[0018]进一步的，还包括视觉模块、运动和手势识别模块、力感知模块、惯性传导元件；所述的可穿戴机器人的控制方式为：通过视觉模块获取工作场景到人体头部的位置信息，通过坐标转换，计算目标位置相对机器人基座的位置信息；通过运动和手势识别模块获取操作人员手臂的运动信息，用以控制可穿戴机器人开始运行以及停止运行；末端执行器与目标位置接触后，力感知模块获取机器人末端的反馈力，以使可穿戴机器人在用于辅助作业过程中保持稳定的末端位置；通过可穿戴辅具上的惯性传导元件检测机器人基座的扰动，用以补偿可穿戴机器人的运动。
[0019]进一步的，所述的可穿戴机器人末端位置的稳定控制，基于具有人体扰动项的导纳控制模型实现，具体数学公式如下：
[0020][0021]ΔF＝F
f
‑
F
d
[0022]Ax＝x
f
‑
x
d
[0023]其中M
k
为可穿戴机器人的惯性参数，B
k
为阻尼参数，K
z
为刚度参数，三者的数值随着可穿戴机器人的模式改变而变化；Δx为实际位置与期望位置之差，为实际速度与期望速度之差，为实际加速度与期望加速度之差，ΔF为末端实际反馈力与末端期望作用力之差；Δd为人体扰动项，由可穿戴辅具上的惯性传导元件检测；F
f
为末端执行器实际反馈力，由辅助支撑装置中的力感知模块测量，F
d
为末端执行器期望作用力，其数值根据工作环境确定，并且按照操作人员意图进行调节；x
f
为末端执行器的实际位置，由驱动单元返回的角度信息结算获取，x
d
为末端执行器的期望位置，通过上述公式计算获取。
[0024]本专利技术同时提供一种用于辅助作业的可穿戴机器人的技术方案，包括可穿戴辅具、变自由度机械臂和传感检测模块；
[0025]可穿戴辅具包括连接肩带、肩部底座、穿戴背包，连接肩带用以连接固定肩部底座，穿戴背包用以放置电源和控制器；
[0026]变自由度机械臂包括肩部模块、肘部模块、腕部模块、末端执行模块；肩部模块包括安装在穿戴辅具顶部的肩部驱动单元及安装于肩部驱动单元上的肩部薄壁连杆；所述肩部薄壁连杆内部设有空腔且该空腔底部设有第一薄膜压力传感器；肘部模块包括肘部驱动单元及安装于肘部驱动单元上的肘部薄壁连杆，肘部薄壁连杆内部设有空腔且该空腔底部设有第二薄膜压力传感器；腕部模块包括腕部驱动单元及腕部连杆，末端执行模块安装于腕部连杆前端；所述肘部模块位于肩部薄壁连杆内部并可相对肩部薄壁连杆伸缩；腕部模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于辅助作业的可穿戴机器人控制方法，其特征在于：该机器人包括可穿戴辅具及连接于可穿戴辅具上端的变自由度机械臂；变自由度机械臂包括肩部模块、肘部模块、腕部模块、末端执行模块；肩部模块包括安装在可穿戴辅具顶部的肩部驱动单元及安装于肩部驱动单元上的肩部薄壁连杆；所述肩部薄壁连杆内部设有空腔且该空腔底部设有第一薄膜压力传感器；肘部模块包括肘部驱动单元及安装于肘部驱动单元上的肘部薄壁连杆，肘部薄壁连杆内部设有空腔且该空腔底部设有第二薄膜压力传感器；腕部模块包括腕部驱动单元及腕部连杆，末端执行模块安装于腕部连杆前端；所述肘部模块位于肩部薄壁连杆内部并可相对肩部薄壁连杆伸缩；腕部模块位于肘部薄壁连杆内部并可相对肘部薄壁连杆伸缩；该方法包括以下步骤：(1)操作人员与可穿戴机器人建立通信连接，并发送任务开始信号；(2)可穿戴机器人获取当前工作模式信息；根据第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器产生的信号，判断可穿戴机器人所进入的工作模式；可穿戴机器人具有4种工作模式；模式0为腕部模块收缩于肘部模块中并压迫第二薄膜压力传感器，肘部模块收缩于肩部模块中并压迫第一薄膜压力传感器，机械臂自由度为4；模式1为腕部模块延伸出肘部模块；肘部模块收缩于肩部模块中，机械臂自由度为5；模式2为腕部模块收缩于肘部模块中，肘部模块延伸出肩部模块，机械臂自由度为5；模式3为腕部模块延伸出肘部模块，肘部模块延伸出肩部模块，机械臂自由度为6；(3)获取工作场景到人体头部的位置信息；(4)根据所述的位置信息判断工作场景是否处于当前工作模式的范围内；(5)若所述的位置信息不处于当前工作模式的范围内，根据位置信息选择合适的工作模式；(6)可穿戴机器人向操作人员发送工作模式信息，操作人员根据工作模式信息调整构型；(7)操作人员发送任务结束信号，可穿戴机器人接收信号后重新获取调整后的工作模式信息。2.根据权利要求1所述的可穿戴机器人控制方法，其特征在于：还包括视觉模块、运动和手势识别模块、力感知模块、惯性传导元件；所述的可穿戴机器人的控制方式为：通过视觉模块获取工作场景到人体头部的位置信息，通过坐标转换，计算目标位置相对可穿戴机器人基座的位置信息；通过运动和手势识别模块获取操作人员手臂的运动信息，用以控制可穿戴机器人开始运行以及停止运行；末端执行器与目标位置接触后，力感知模块获取机器人末端的反馈力，以使可穿戴机器人在用于辅助作业过程中保持稳定的末端位置；通过可穿戴辅具上的惯性传导元件检测机器人基座的扰动，用以补偿可穿戴机器人的运动。3.根据权利要求1或2所述的可穿戴机器人控制方法，其特征在于：所述的可穿戴机器人末端位置的稳定控制，基于具有人体扰动项的导纳控制模型实现，具体数学公式如下：ΔF＝F
f
‑
F
d
Δx＝x
f
‑
x
d
其中M
k
为可穿戴机器人的惯性参数，B
k
为阻尼参数，K
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈柏，郑前，廖梓宇，蒋素荣，吕俊男，刘珂铭，吴洪涛，
申请(专利权)人：南京若希自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：