多模式作业的多臂外肢体机器人及方法技术

多模式作业的多臂外肢体机器人及方法，属于可穿戴式外肢体机器人技术领域。包括：至少一台多自由度可拆卸机械臂、旋转云台、穿戴辅具、多传感模块、电源及控制模块。所述旋转云台包括旋转基座、基座旋转电机、升降导轨连接件、控制卡、电源、传感元件。所述的多自由度可拆卸机械臂包括机械臂偏转关节、转动关节、第一连杆、绳驱动肘关节、第二连杆、末端执行装置、绳驱动电机、关节偏转电机、电机安装板、机械臂转动关节电机。所述穿戴辅具包括：背部穿戴护具、可调节绑带、升降导轨。本发明专利技术可通过调节多台可拆卸机械臂的空间位姿和臂间夹角，为使用者提供攀爬辅助、安全防护、上肢助力和躯体支撑等多模式辅助功能，适用性广。适用性广。适用性广。

【技术实现步骤摘要】
多模式作业的多臂外肢体机器人及方法


[0001]本专利技术涉及辅助使用者作业的可穿戴式外肢体机器人
，具体是一种多模式作业的多臂外肢体机器人及方法。

技术介绍

[0002]外肢体机器人是指通过穿戴方式固定于人体并能协助人体完成一定任务的单臂或多臂机器人，它通过对人体现有肢体的扩展，有效增强人体的功能，可为执行装配、检修作业的工人提供攀爬辅助、安全防护、搬运助力等辅助，并能为处于侧身、伏地跪姿等不适姿态的使用者提供助力支撑，有效改善使用者发力舒适度，减少因不适姿势产生的肌肉损伤。
[0003]尽管外肢体机器人具有独特的优势，但由于受到穿戴要求的影响，机器人的体积受到严格的限制，因此目前常见单个外肢体机器人的功能往往单一化，仅能完成特定工作。因此，外肢体机器人的多工作模式适应性、多功能化也是目前研究的一个关键点。
[0004]机器人常采用的电机直接驱动方式由于需将电机安装在关节上，必然使机械臂的质量增加，进而增加其惯性和转动惯量，影响机械臂的运动灵活性。本专利技术所采用混合驱动方式在机械臂肘关节使用绳驱动结构，可以将所有电机安装在机械臂底座中，可减小机械臂的质量和转动惯量，有利于提高机械臂的负载和运动灵活性。
[0005]经对现有技术文献的检所发现：中国专利（CN 109015605 A）：穿戴式变构型外肢体机器人。该专利主要提供了一种串并混联型机械臂，具有两种工作方式。串并混联型工作可以搬运重物，具有高刚度和驱动能力。另一种是串联型工作方式，可以进行步行助力。该装置采用绳驱动，能够在一定程度上减少机械臂重量。但由于并联机构的结构影响，机械臂工作时对人体的运动空间限制较大，穿戴灵活性和舒适性低。
[0006]中国专利（CN 113814968 A）：基于钢丝驱动三臂串联式外肢体辅助作业机器人。该专利主要提供了一种钢丝驱动的串联机械臂，其通过钢丝驱动降低了机械臂的质量，同时采用串联机构增加了灵活性。但其工作模式缺少对使用者及机器人本体负载的支承能力，工作过程完全由使用者躯体承重负载，增加了使用者的工作负担。

技术实现思路

[0007]针对目前外肢体机器人所研究的多作业场景适应性、多功能化等技术难题，本专利技术设计了一种多模式作业的多臂外肢体机器人，可以通过调节多条机械臂姿态和臂间夹角实现构型切换，可实现：攀爬辅助、安全防护、搬运助力、不适姿态支撑等多种辅助功能，在一套外肢体机器人上集成了多种工作方式，有效扩展了外肢体的工作场景。
[0008]本专利技术的技术方案是：多模式作业的多臂外肢体机器人本体，包括穿戴辅具，安装于穿戴辅具上的旋转云台，以及安装于旋转云台的若干多自由度可拆卸机械臂本体；
所述穿戴辅具包括背部穿戴护具、升降导轨和可调节绑带；升降导轨安装在背部穿戴护具后侧，可调节绑带安装于背部穿戴护具；所述旋转云台包括旋转基座、基座旋转电机、升降导轨连接件；升降导轨连接件安装于穿戴辅具的升降导轨上；旋转基座通过基座旋转电机安装于升降导轨连接件；所述的多自由度可拆卸机械臂本体包括机械臂偏转关节、转动关节、第一连杆、绳驱动肘关节、第二连杆、末端执行装置、绳驱动电机、关节偏转电机、电机安装板、机械臂转动关节电机；转动关节通过第一连杆连接绳驱动肘关节；绳驱动肘关节通过第二连杆连接末端执行装置；关节偏转电机通过电机安装板安装在旋转基座的移动导轨上；机械臂偏转关节与关节偏转电机输出轴相连；机械臂转动关节电机安装于机械臂偏转关节；转动关节与机械臂转动关节电机输出轴相连；机械臂偏转关节上还安装有绳驱动电机和相应的套索滑轮；所述旋转基座为中空结构，其内部设置有用于驱动多条机械臂上绳驱动肘关节的绳索传动孔和套索滚轮，并通过安装在其内部的驱动电机控制绳索运动，进一步控制机械臂肘关节偏转。
[0009]所述机器人的作业方式，其特征在于包括以下过程：包括攀爬辅助模式、安全防护模式、搬运助力模式和不适姿态作业支撑模式；其中基座旋转电机控制旋转基座轴向转动，驱动多条机械臂本体切换不同空间位姿；关节偏转电机通过转动分别控制多条机械臂本体之间的夹角，配合基座旋转进一步改变机械臂本体的空间位姿，实现多臂之间的组合运动，进而实现机器人的多模式切换；所述的攀爬辅助模式中，机器人至少两台多自由度可拆卸机械臂本体，用于攀爬辅助，其余的多自由度可拆卸机械臂本体中至少一台用于采集视觉信息，规划机械臂步态；安全防护模式中，至少两台多自由度可拆卸机械臂本体用于固定人体，其余的多自由度可拆卸机械臂本体用于辅助使用者进行作业；搬运助力模式中，至少两台多自由度可拆卸机械臂本体用于抓握物品，其余的多自由度可拆卸机械臂本体中至少一台用于支撑地面，转移负载；不适姿态作业支撑模式中，多台多自由度可拆卸机械臂本体根据需要支撑的环境特征自由选择分布形式，减少人体不适感。
[0010]所述的多模式作业的多臂外肢体机器人的多模式功能实现依赖于旋转云台。基座旋转电机控制旋转基座轴向转动，关节偏转电机控制机械臂本体之间的夹角。通过二者的共同作用改变机械臂本体的空间位姿，从而实现外肢体机器人的多模式作业。
[0011]所述机械臂偏转关节、转动关节、第一连杆、绳驱动肘关节、第二连杆、末端执行装置、绳驱动电机、关节偏转电机、电机安装板和机械臂转动关节电机集成为可拆卸结构，可沿移动导轨安装并调节位置，通过卡扣实现固定。机械臂本体安装和拆卸的步骤简单，使用者可以自主根据工作场景的需要调整机械臂数量。同时也可以在收纳时减少空间占用。
[0012]还包括用于实现人机系统协同控制的多模态传感模块，所述多模态传感模块包括姿态传感模块、力传感模块、视觉传感模块、关节电机编码器、人体信号采集模块。本专利技术通过多模态传感采集人机的各项数据，实现对外肢体机器人的精确控制。
[0013]所述姿态传感器为IMU惯性传感器，内置于旋转基座，用于实时获取基座和使用者
躯体姿态；所述力传感模块安装于多自由度可拆卸机械臂本体与机械臂末端执行装置之间、旋转基座与背部穿戴护具之间，分别用于实时检测人机系统与环境间交互力特征、机器人与使用者之间交互力特征；所述关节电机编码器内置于基座旋转电机、绳驱动电机、关节偏转电机、机械臂转动关节电机，用于检测转动角度；所述视觉传感模块为深度相机，安装于末端执行装置前端，用于基于机器学习算法识别工作空间内的环境特征；所述人体信号采集模块为表面肌电信号传感器，安装于使用者四肢和躯干，可根据人体表面肌电信号实现运动意图的识别。
[0014]本专利技术通过对人体肌电信号、外肢体机器人力信息、位置信息、视觉信息和关节角度信息的多模态传感，获取人机与环境之间的多维信息，进而实现安全、智能的人机交互模式。
附图说明
[0015]图1为本专利技术整体结构示意图；图2为本专利技术多模式作业示意图；图3为多自由度可拆卸机械臂示意图；图4为旋转云台与机械臂安装示意图；图5为穿戴辅具与旋转云台连接示意图；图中标号名称：1.多自由度可拆卸机械臂本体，1
‑
1.机械臂偏转关节，1
‑1‑
1.绳驱动电机，1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多模式作业的多臂外肢体机器人本体，其特征在于：包括穿戴辅具（3），安装于穿戴辅具（3）上的旋转云台（2），以及安装于旋转云台（2）的若干多自由度可拆卸机械臂本体（1）；所述穿戴辅具（3）包括背部穿戴护具（3
‑
2）、升降导轨（3
‑
3）和可调节绑带（3
‑
1）；升降导轨（3
‑
3）安装在背部穿戴护具（3
‑
2）后侧，可调节绑带（3
‑
1）安装于背部穿戴护具（3
‑
2）；所述旋转云台（2）包括旋转基座（2
‑
1）、基座旋转电机（2
‑
2）、升降导轨连接件（2
‑
3）；升降导轨连接件（2
‑
3）安装于穿戴辅具（3）的升降导轨（3
‑
3）上；旋转基座（2
‑
1）通过基座旋转电机（2
‑
2）安装于升降导轨连接件（2
‑
3）；所述的多自由度可拆卸机械臂本体（1）包括机械臂偏转关节（1
‑
1）、转动关节（1
‑
2）、第一连杆（1
‑
3）、绳驱动肘关节（1
‑
4）、第二连杆（1
‑
5）、末端执行装置（1
‑
6）、绳驱动电机（1
‑1‑
1）、关节偏转电机（1
‑1‑
2）、电机安装板（1
‑1‑
3）、机械臂转动关节电机（1
‑1‑
4）；转动关节（1
‑
2）通过第一连杆（1
‑
3）连接绳驱动肘关节（1
‑
4）；绳驱动肘关节（1
‑
4）通过第二连杆（1
‑
5）连接末端执行装置（1
‑
6）；关节偏转电机（1
‑1‑
2）通过电机安装板（1
‑1‑
3）安装在旋转基座（2
‑
1）的移动导轨上；机械臂偏转关节（1
‑
1）与关节偏转电机（1
‑1‑
2）输出轴相连；机械臂转动关节电机（1
‑1‑
4）安装于机械臂偏转关节（1
‑
1）；转动关节（1
‑
2）与机械臂转动关节电机（1
‑1‑
4）输出轴相连；机械臂偏转关节（1
‑
1）上还安装有绳驱动电机（1
‑1‑
1）和相应的套索滑轮；所述旋转基座（2
‑
1）为中空结构，其内部设置有用于驱动多条机械臂上绳驱动肘关节（1
‑
4）的绳索传动孔和套索滚轮，并通过安装在其内部的驱动电机控制绳索运动，进一步控制机械臂肘关节偏转。2.根据权利要求1所述的多模式作业的多臂外肢体机器人...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈柏，张之聪，常天佐，刘珂铭，郑前，徐嘉骏，蒋素荣，
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：