首页 / 专利库 / 生物工程 / 脑机接口 / 肩部可穿戴功能辅助机械臂

肩部可穿戴功能辅助机械臂

阅读:61发布:2020-10-12

专利汇可以提供肩部可穿戴功能辅助机械臂专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种肩部可穿戴功能辅助 机械臂 ,包括七 自由度 绳驱双臂、肩部穿戴机构、绳驱 电机 组模 块 、控制驱动单元、电源模块、视觉 传感器 、计算机以及自主控制单元;所述绳驱电机组模块通过绳驱机械臂肩关节被动式承重机构与七自由度绳驱双臂传动连接;所述视觉传感器和自主控制单元分别与计算机数据连接。本发明解决在人双手同时工作同时需要额外协助的问题,可有效减少人的劳动强度,提高工作效率。可以帮助手臂肌肉无 力 的患者增加他们的基本生活自理能力。也可用于协助残疾人,使身体残留部分的功能得到最充分的发挥,达到最大可能的生活自理,劳动和工作的能力,为他们重返社会打下 基础 。,下面是肩部可穿戴功能辅助机械臂专利的具体信息内容。

1.一种肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,包括七自由度绳驱双臂(1)、肩部穿戴机构(2)、绳驱电机组模(3)、控制驱动单元(4)、电源模块(5)、视觉传感器(7)、计算机(8)以及自主控制单元;其中:
所述绳驱电机组模块(3)通过绳驱机械臂肩关节被动式承重机构(12)与七自由度绳驱双臂(1)传动连接;
所述视觉传感器(7)和自主控制单元分别与计算机(8)数据连接;
所述计算机(8)通过控制驱动单元(4)与七自由度绳驱双臂(1)控制连接;
所述电源模块分别与绳驱电机组模块(3)和控制驱动单元(4)电路连接;
所述七自由度绳驱双臂(1)、控制驱动单元(4)、电源模块(5)、视觉传感器(7)、计算机(8)分别固定在肩部穿戴机构(2)上;
所述自主控制单元包括如下任一个或任多个部件:
-脚部可穿戴数据脚套(14),穿戴于使用者的脚部;
-智能手柄模块(15),固定于肩部穿戴机构(2)上;
-脑机接口模块(16),穿戴于使用者的头部。
2.根据权利要求1所述的肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,所述七自由度绳驱双臂设有肩关节、肘关节和腕关节,其中,所述肩关节包括俯仰、旋转、侧摆三个自由度,分别用于完成俯仰、旋转、侧摆运动;所述肘关节包括屈伸、旋转两个自由度,分别用于完成屈伸、旋转运动;所述腕关节包括屈伸、侧摆两个自由度,分别用于完成屈伸、侧摆运动;所述肩关节的俯仰和侧摆自由度、肘关节的屈伸和旋转自由度以及腕关节的屈伸和侧摆自由度均通过绳驱电机组模块的两自由度模块化差动锥齿轮传动机构实现。
3.根据权利要求1所述的肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,所述肩部穿戴机构包括背部面板(13)以及安装于背部面板上的用于穿戴的肩部承重带(10)和腰部紧固带(11);所述背部面板(13)上设有电机组合适配接口(b1)、机械臂安装固定接口(b2)、视觉传感器固定支架接口(b3)、电脑机械连接支座(b4)、控制单元安装支座(b5)、电源安装支座(b6)、绳驱绕组接口(b7)、肩部穿戴调节尼龙带接口(b8)、腰部紧固带接口(b9)以及手柄安装接口(b12);其中:
所述绳驱电机组模块(3)通过电机组合支架(b10)安装于电机组合适配接口(b1)和绳驱绕组接口(b7)处;
所述七自由度绳驱双臂(1)安装于机械臂安装固定接口(b2)处;
所述视觉传感器(7)通过视觉传感器支撑座(6)安装于视觉传感器固定支架接口(b3)处;
所述脑机接口模块(16)安装于电脑机械连接支座(b4)处;
所述控制驱动单元(4)安装于控制单元安装支座(b5)处;
所述电源模块(5)安装于电源安装支座(b6)处;
所述肩部承重带(10)固定于肩部穿戴调节尼龙带接口(b8)处;
所述腰部紧固带(11)固定于腰部紧固带接口(b9)处;
所述智能手柄模块(15)安装于手柄安装接口(b12)处。
4.根据权利要求1所述的肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,所述脚部可穿戴数据脚套包括穿戴本体以及设置与穿戴本体上的第一脚趾传感器(k1)、第二脚趾传感器(k2)和第三脚趾传感器(k3);其中,所述穿戴本体设有用于检测脚底压分布的脚底压力传感器单元,所述第一脚趾传感器(k1)、第二脚趾传感器(k2)和第三脚趾传感器(k3)分别用于采集脚趾活动状态,通过脚底压力的分布信息以及脚趾的弯曲状态信息形成方向控制信号实现对七自由度绳驱双臂的控制。
5.根据权利要求4所述的肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,所述脚部可穿戴数据脚套通过识别使用者脚部姿态,根据脚底不同区域压力差,配合脚趾弯曲姿态,识别使用者的命令;脚部可穿戴数据脚套的使用者脚部姿态数据通过无线或蓝牙通讯模块最终传输至控制驱动单元用于控制七自由度绳驱双臂在脚部可穿戴数据脚套所代表的方向上运动。
6.根据权利要求1所述的肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,所述智能手柄模块位于使用者身体的侧部,通过控制驱动单元中的智能手柄控制模式,应用于手臂肌肉功能障碍人群,通过遥控操作的方式,控制七自由度绳驱双臂的运动方向。
7.根据权利要求1所述的肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,所述脑机接口模块通过控制驱动单元中的脑机接口控制模式,应用于失去手臂功能的人群,通过脑电控制的方式,控制七自由度绳驱双臂完成运动;
电信号通过在脑机接口模块的电极位置安装国际10-20分法布置的脑电图帽采集。
8.根据权利要求1所述的肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,所述控制驱动单元包括七自由度绳驱双臂动作控制器(c1)、脑机接口控制器(c2)、数据脚套控制器(c3)、视觉伺服控制器(c4)以及智能手柄控制器(c5);其中,所述七自由度绳驱双臂动作控制器(c1)用于驱动七自由度绳驱双臂关节;所述脑机接口控制器(c2)用于执行脑电控制信号以及方向控制;所述数据脚套控制器(c3)用于执行肌电控制信号以及与脚部可穿戴数据脚套传感相对应的动作识别;所述智能手柄控制器(c5)用于控制手柄的操作;所述视觉伺服控制器(c4)用于执行视觉传感器的视觉控制信号。
9.根据权利要求1所述的肩部可穿戴功能辅助机械臂,其特征在于,所述视觉传感器用于完成自主避障,当七自由度绳驱双臂的目标路径和肢体运动有冲突时,七自由度绳驱双臂通过视觉传感器采集的信息,最终传输至控制驱动单元控制自主避开人体部位以达到保护人本体的目的;同时,七自由度绳驱双臂机构还通过视觉传感器达到既定目标位置,即,当七自由度绳驱双臂需要保持某一姿态而同时视觉范围内出现障碍物,七自由度绳驱双臂通过视觉传感器采集的信息,最终传输至控制驱动单元控制七自由度绳驱双臂在保持末端位置不变的情况下,完成障碍物躲避。

说明书全文

肩部可穿戴功能辅助机械臂

技术领域

[0001] 本发明涉及协作式可穿戴机械臂技术领域,具体涉及一种利用数据脚套、智能手柄脑机接口这三种控制模式控制的肩部可穿戴功能辅助机械臂,用于辅助人们日常工作或生活。

背景技术

[0002] 近些年来机器人技术的发展使得为人体增加额外的肢体实现“三头六臂”不再是梦想。通过增加可穿戴仿人机械臂肢体,可有效拓展人的任务执行功能,增强人的生产效率和技能平,使其在不依赖于多人协助的情况下独立应对复杂的环境变化或生产任务,从而解决了“双拳不敌四手”的局面。因而可穿戴仿人机械臂肢体将会使机器人与人协作更紧密,在机器人并不能很好理解人的意图并高效面对复杂环境,多样化用户需要的情况下,可穿戴机器人的研制将具有更实际的应用前景。
[0003] 通常情况下,在一个人无法独立完成某项活动时,需要借助他人协助或者增加相关的作业工具或者把任务细化分解,逐项实现。虽然这些方法都可以顺利完成预定的活动指标,但是不可避免的会造成用工成本增加,时间,精耗费等。另一方面,由于人们需求越来越多样化,面对的任务和环境也会趋向于复杂,个人技能和传统装备难免会遇到不同类型的挑战,而机器人技术柔性和人的智能决策,智能执行的融合可使机器人分担部分挑战,从而减轻人的应对压力。不同于传统的外骨骼助力机器人,可穿戴式助力机械臂不但助力而且可以独立完成作业,也可以人及协同完成更为复杂的任务,对提高人的技能和作业效率具有重要实用价值,同时在健康保健领域则更有意义,对于手臂运动功能的人,如中、肌肉萎缩的患者等来说,需要有替代品来帮助他们完成一些日常所需的手部动作,使得他们不需要在有人帮助下就能完成一些日常生活必须的运动,如倒水,开,甚至剃须,刷牙,烹饪,购物等。这样不仅能对他们的隐私起到更好的保护作用,也能增加他们的生活自理能力。而对于一些身体有残疾,主要是手臂部分的人群,更是需要有替代品来弥补这部分的身体缺陷,使得他们的生活品质和独立能力能够得到改善。现有的通过加 装义肢的方法,因为需要针对不同的人进行订制,增加了成本,在技术实现上也不可能规模化生产。因此,额外的可穿戴式机械臂可作为代替品。
[0004] 经对现有技术文献的检索发现:
[0005] 中国专利公开号CN 101357097 B,发明名称为:五自由度外骨骼式上肢康复机器人。该技术主要提供了一种可穿戴上肢康复装置,该装置可以起到单关节运动与三维空间多关节复合运动,并提供简单、基本的日常生活动作训练。但是该装置便携性差,不利于携带,此外没有集成人体物理信号用于人机协同,控制单一。
[0006] 中国专利公开号CN 102309393 A,发明名称为:外骨骼式上肢康复机器人,用于训练,恢复上肢关节活动。该装置只是连接人体腕部通过虚拟环境完成康复活动,但是不能提供实际的助力或功能增强功能,因而限制了其应用范围。

发明内容

[0007] 本发明针对现有技术中存在的上述不足,将机器人机械臂作业技术与人的智能判断和智能执行功能融合起来,提供了一种肩部可穿戴功能辅助机械臂。本发明的目的在于增加人的肢体物理拓展和运动以及执行功能,进而提高生活品质和工作效率,同时解决外骨骼限制人体机能发挥,不能很好进行人机协同完成复杂任务功能的问题。
[0008] 为实现上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的。
[0009] 一种肩部可穿戴功能辅助机械臂,穿戴于使用者的肩部,包括七自由度绳驱双臂1、肩部穿戴机构2、绳驱电机组模3、控制驱动单元4、电源模块5、视觉传感器7、计算机8以及自主控制单元;其中:
[0010] 所述绳驱电机组模块3通过绳驱机械臂肩关节被动式承重机构12与七自由度绳驱双臂1传动连接;
[0011] 所述视觉传感器7和自主控制单元分别与计算机8数据连接;
[0012] 所述计算机8通过控制驱动单元4与七自由度绳驱双臂1控制连接;
[0013] 所述电源模块分别与绳驱电机组模块3和控制驱动单元4电路连接;
[0014] 所述七自由度绳驱双臂1、控制驱动单元4、电源模块5、视觉传感器7、计算机8分别固定在肩部穿戴机构2上;
[0015] 所述自主控制单元包括如下任一个或任多个部件:
[0016] -脚部可穿戴数据脚套14,穿戴于使用者的脚部;
[0017] -智能手柄模块15,固定于肩部穿戴机构2上;
[0018] -脑机接口模块16,穿戴于使用者的头部。
[0019] 优选地,所述七自由度绳驱双臂设有肩关节、肘关节和腕关节,其中,所述肩关节包括俯仰、旋转、侧摆三个自由度,分别用于完成俯仰、旋转、侧摆运动;所述肘关节包括屈伸、旋转两个自由度,分别用于完成屈伸、旋转运动;所述腕关节包括屈伸、侧摆两个自由度,分别用于完成屈伸、侧摆运动;所述肩关节的俯仰和侧摆自由度、肘关节的屈伸和旋转自由度以及腕关节的屈伸和侧摆自由度均通过绳驱电机组模块的两自由度模块化差动锥齿轮传动机构实现。
[0020] 优选地,所述肩部穿戴机构包括背部面板13以及安装于背部面板上的用于穿戴的肩部承重带10和腰部紧固带11;所述背部面板13上设有电机组合适配接口b1、机械臂安装固定接口b2、视觉传感器固定支架接口b3、电脑机械连接支座b4、控制单元安装支座b5、电源安装支座b6、绳驱绕组接口b7、肩部穿戴调节尼龙带接口b8、腰部紧固带接口b9以及手柄安装接口b12;其中:
[0021] 所述绳驱电机组模块3通过电机组合支架b10安装于电机组合适配接口b1和绳驱绕组接口b7处;
[0022] 所述七自由度绳驱双臂1安装于机械臂安装固定接口b2处;
[0023] 所述视觉传感器7通过视觉传感器支撑座6安装于视觉传感器固定支架接口b3处;
[0024] 所述脑机接口模块16安装于电脑机械连接支座b4处;
[0025] 所述控制驱动单元4安装于控制单元安装支座b5处;
[0026] 所述电源模块5安装于电源安装支座b6处;
[0027] 所述肩部承重带10固定于肩部穿戴调节尼龙带接口b8处;
[0028] 所述腰部紧固带11固定于腰部紧固带接口b9处;
[0029] 所述智能手柄模块15安装于手柄安装接口b12处。
[0030] 优选地,所述脚部可穿戴数据脚套包括穿戴本体以及设置与穿戴本体上的第一脚趾传感器k1、第二脚趾传感器k2和第三脚趾传感器k3;其中,所述穿戴本体设有用于检测脚底压力分布的脚底压力传感器单元,所述第一脚趾传感器k1、第二脚趾传感器k2和第三脚趾传感器k3分别用于采集脚趾活动状态,通过脚底压力的分布信息以及脚趾的弯曲状态信息形成方向控制信号实现对七自由度绳驱双臂的控制。
[0031] 优选地,所述脚部可穿戴数据脚套通过识别使用者脚部姿态,根据脚底不同区域压力差,配合脚趾弯曲姿态,识别使用者的命令;脚部可穿戴数据脚套的使用者脚部姿态 数据通过无线或蓝牙通讯模块最终传输至控制驱动单元用于控制七自由度绳驱双臂在脚部可穿戴数据脚套所代表的方向上运动。
[0032] 优选地,所述智能手柄模块15位于使用者身体的侧部,通过控制驱动单元中的智能手柄控制模式,应用于手臂肌肉功能障碍人群,通过遥控操作的方式,控制七自由度绳驱双臂的运动方向。
[0033] 优选地,所述脑机接口模块通过控制驱动单元中的脑机接口控制模式,应用于失去手臂功能的人群,通过脑电控制的方式,控制七自由度绳驱双臂完成运动;
[0034] 所述脑电信号通过在脑机接口模块的电极位置安装国际10-20分法布置的脑电图帽采集;
[0035] 所述国际10-20分法具体为:临床神经生理学国际联合会于20世纪50年代末期发展完善的国际公认的头皮电极位置分布方法。
[0036] 优选地,所述控制驱动单元包括七自由度绳驱双臂动作控制器c1、脑机接口控制器c2、数据脚套控制器c3、视觉伺服控制器c4以及智能手柄控制器c5;其中,所述七自由度绳驱双臂动作控制器c1用于驱动七自由度绳驱双臂关节;所述脑机接口控制器c2用于执行脑电控制信号以及方向控制;所述数据脚套控制器c3用于执行肌电控制信号以及与脚部可穿戴数据脚套传感对应的动作识别;所述智能手柄控制器c5用于控制手柄的操作;所述视觉伺服控制器c4用于执行视觉传感器的视觉控制信号。
[0037] 优选地,所述视觉传感器用于完成自主避障,当七自由度绳驱双臂的目标路径和肢体运动有冲突时,七自由度绳驱双臂通过视觉传感器采集的信息,最终传输至控制驱动单元控制自主避开人体部位以达到保护人本体的目的;同时,七自由度绳驱双臂机构还通过视觉传感器达到既定目标位置,即,当七自由度绳驱双臂需要保持某一姿态而同时视觉范围内出现障碍物,七自由度绳驱双臂通过视觉传感器采集的信息,最终传输至控制驱动单元控制七自由度绳驱双臂在保持末端位置不变的情况下,完成障碍物躲避。
[0038] 本发明提供的肩部可穿戴功能辅助机械臂,穿戴于患者的肩部,通过数据脚套控制、智能手柄控制、脑机接口控制以及视觉伺服控制,实现七自由度绳驱双臂的运动。其中七自由度绳驱机械臂包括三自由度肩关节、2自由度肘关节成和2自由度腕关节,2自由度关节皆采用模块化差动关节组成。在机械臂肩关节处置有被动式重力补偿机构。机械臂所有驱动单元和控制单元置于背部面板,重量由穿戴者肩膀承载。机械臂配备3种控制模式可供不同用户选择,分别是:(i)数据脚套控制模式,适用于运动功能正常的普通穿戴者,其在双手作业过程中同时,可以通过对脚 底区域压力分布的调控,来控制辅助机械臂运动来协助双臂作业;(ii)智能手柄控制模式,适用于具有运动功能障碍,如肌肉萎缩双臂无力,或由于中风等原因运动受限的人士等。其可利用手柄操作辅助机械臂作业实现运动意图;(iii)脑机接口控制模式,适用于运动功能丧失的残疾人士,其可利用脑电信号来控制辅助机械臂帮助其完成指定任务。同时配备有自主避障模式,防止在机械臂动作的过程中误伤害到操作者,也能更好的让开障碍物完成既定任务保护机械臂自身不受损坏;(iv)视觉伺服控制模式,通过穿戴者头部摄像头实时监测手部手势和人与环境的交互情况,自主为人提供协助,避障等任务。
[0039] 与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
[0040] 1、本发明中肩部可穿戴机械臂,解决了以往外骨骼机器人需要占用人体肢体关节活动,不能实现各自独立与协作等复杂的任务的实施,轻量化的绳驱机械臂减小了人体负重,模块化的关节设计较少了硬件投入时间和成本。
[0041] 2、本发明中穿戴式机械臂采用视觉伺服检测控制,实时检测环境变化,为人提供作业支持和安全保障。
[0042] 3、本发明中机械臂的控制模式多样,主要有数据脚套控制模式、智能手柄控制模式和脑机接口控制模式。而其中数据脚套控制模式准确且易采集,手部控制智能手柄遥操作直观且控制方式更符合人体运动的特征,脑机接口控制模式具有易训练且可靠的特性。
[0043] 4、数据脚套控制模式可以在人双手同时工作同时需要协助时的作业环境,智能手柄控制模式可有效减少人的劳动强度,提高工作效率。脑机接口控制模式可用于协助残疾人完成日常生活中需要双臂作业的任务。本发明可明显拓展人的双臂技能,协助手臂功能,帮助手臂运动功能缺失的人群完成正常的生活活动。
[0044] 5、本发明在人双手同时工作同时需要额外协助的问题,可有效减少人的劳动强度,提高工作效率。可以帮助手臂肌肉无力的患者增加他们的基本生活自理能力。也可用于协助残疾人,使身体残留部分的功能得到最充分的发挥,达到最大可能的生活自理,劳动和工作的能力,为他们重返社会打下基础附图说明
[0045] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0046] 图1为本发明整体穿戴结构示意图,其中,(a)为轴测图,(b)为主视图,(c)为侧视图,(d)为俯视图;
[0047] 图2为本发明穿戴式机械臂及穿戴机构整体示意图,其中,(a)为轴测图,(b)主视图,(c)为侧视图,(d)为俯视图;
[0048] 图3为穿戴机构结构图,其中,(a)为轴测图,(b)为仰视图,(c)为主视图,(d)为俯视图,(e)为侧视图;
[0049] 图4为控制器整体功能图;
[0050] 图5为穿戴式机械臂整体控制策略;
[0051] 图6为视觉伺服避障原理图;
[0052] 图7脚趾活动检测传感器穿戴图;
[0053] 图8脚步控制穿戴式机械臂原理图;
[0054] 图9脑电控制穿戴式机械臂原理图。
[0055] 图中:
[0056] 1为七自由度绳驱双臂;
[0057] 2为肩部穿戴机构;
[0058] 3为绳驱电机组模块;
[0059] 4为控制驱动单元;
[0060] 5为电源模块;
[0061] 6为视觉传感器支撑座;
[0062] 7为视觉传感器;
[0063] 8为计算机;
[0064] 9为电机组外壳
[0065] 10为肩部承重带;
[0066] 11为腰部紧固带;
[0067] 12为绳驱机械臂肩关节被动式承重机构;
[0068] 13为背部面板;
[0069] 14为脚部可穿戴数据脚套;
[0070] 15为智能手柄模块;
[0071] 16为脑机接口模块。

具体实施方式

[0072] 下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
[0073] 实施例
[0074] 本实施例提供了一种肩部可穿戴功能辅助机械臂,包括七自由度绳驱双臂1、肩部穿戴机构2、绳驱电机组模块3、及相应的控制驱动单元4、电源模块5、视觉传感器支撑座6、视觉传感器7、计算机8,电机组外壳9、肩部承重带10、腰部紧固带11、绳驱机械臂肩关节被动式承重机构12、背部面板13,脚部可穿戴数据脚套14,智能手柄模块15,脑机接口模块16等。
[0075] 七自由度绳驱双臂1固定在背部面板13上,控制驱动单元4,电源模块5及计算机8固定在肩部穿戴机构2的背部面板13上。
[0076] 所述的七自由度绳驱双臂1,设有肩关节、肘关节和腕关节,其中肩关节有三个自由度,分别完成俯仰,旋转,侧摆运动;肘关节由两个自由度,完成屈伸和旋转两种功能;腕关节有两个自由度,分别完成屈伸和侧摆两种运动;除肩关节旋转自由度关节外,其他关节均由绳驱电机组模块3的两自由度模块化差动锥齿轮传动机构实现。
[0077] 所述的肩部穿戴机构2,其背部面板13(背部安装面板b11)设有控制机械臂的电机组合适配接口b1,机械臂安装固定接口b2,视觉传感器固定支架接口b3,电脑机械连接支座b4,控制单元安装支座b5,电源安装支座b6,绳驱绕组接口b7,肩部穿戴调节尼龙带b8,腰部紧固带b9,电机组合支架b10,手柄安装接口b12。
[0078] 所述的脚部穿戴数据脚套,包括在脚趾传感器接口设置的传感器k1、k2、k3及穿戴本体。数据脚套用于检测脚底压力分布和脚趾活动状态,通过脚底压力的分布不同和脚趾的弯曲状态实现穿戴机械臂的控制。同时脚部穿戴机构分担机械臂收到的环境力及整个穿戴机构的自身重力,同时对人体各个姿态起到稳定作用。所述的数据脚套,通过识别使用者的脚部姿态已达到对机械臂运动方向的控制。根据脚底不同区域压力差,配合脚趾部分的弯曲传感器,来识别用户的运动方向命令。数据脚套的数据由带有无线或者蓝牙通讯模块的设备将数据传输到控制器中用于控制机械臂。
[0079] 所述的智能手柄模块15,固定于手柄安装接口b12,位于穿戴者身体的侧部,主要应用于控制模式中的智能手柄控制模式,主要面向手臂肌肉功能障碍的人群,通过遥操作的方式,控制机械臂的运动方向。
[0080] 所述的脑机接口模块,应用于控制模式中的脑机接口控制模式,主要面向残疾人等失去手臂功能的人群,通过脑电控制的方式控制机械臂完成运动,及机械钳的开关。脑电信号通过电极位置安装国际10-20分法布置的脑电图帽采集,穿戴方便,操作简单,检测效率高。
[0081] 所述的视觉传感器,机械臂通过配备的视觉传感器,完成自主避障,当机械臂目标路径和肢体运动有冲突时,机械臂会自主避开人体部位到达保护人本体的作用,同时机械臂还能达到既定目标位置;当需要保持机械臂某一姿态而同时视觉范围内出现障碍物,机械臂能够保持末端位置不变的情况下,利用其冗余机制完成障碍物躲避。
[0082] 下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0083] 一种肩部可穿戴功能辅助机械臂,它包括七自由度绳驱双臂1、肩部穿戴机构2、绳驱电机组模块3、及相应的控制驱动单元4、电源模块5、视觉传感器支撑座6、视觉传感器7、计算机8,电机组外壳9、肩部承重带10、腰部紧固带11、绳驱机械臂肩关节被动式承重机构12、背部面板13,脚部可穿戴数据脚套14,智能手柄模块15,脑机接口模块16等。其特征在于:七自由度绳驱双臂1固定在背部面板13上,控制驱动单元4,电源模块5及计算机8固定在肩部穿戴机构背部面板13上。
[0084] 进一步地,所述的七自由度绳驱双臂,其特征在于,机械臂由肩关节,肘关节和腕关节构成,其中肩关节有三个自由度,分别完成俯仰,旋转,侧摆运动。肘关节由两个自由度,完成屈伸和旋转两种功能,腕关节有两个自由度,分别完成屈伸和侧摆两种运动。除肩关节旋转自由度关节外,其他关节均由绳驱两自由度模块化差动锥齿轮传动机构实现。
[0085] 进一步地,所述的肩部穿戴机构,设有控制机械臂的电机组合适配接口b1,机械臂安装固定接口b2,视觉传感器固定支架接口b3,电脑机械连接支座b4,控制单元安装支座b5,电源安装支座b6,绳驱绕组接口b7,肩部穿戴调节尼龙带b8,腰部紧固带b9,电机组合支架b10,背部安装面板b11,手柄安装接口b12。
[0086] 进一步地,所述的脚部穿戴数据脚套,由脚趾传感器k1,k2,k3及穿戴本体构成。数据脚套用于检测脚底压力分布和脚趾活动状态,通过脚底压力的分布不同和脚趾的弯 曲状态实现穿戴机械臂的控制,减少人手干预。同时脚部穿戴机构分担机械臂收到的环境力及整个穿戴机构的自身重力,同时对人体各个姿态起到稳定作用。
[0087] 所述的数据脚套,通过识别使用者的脚部姿态以达到对机械臂方向上的控制。根据脚底不同区域压力差,配合脚趾部分的弯曲传感器,来识别用户的命令,并在其所代表的方向上运动。数据脚套的数据由带有无线或者蓝牙通讯模块的设备将数据传输到控制器中用于控制机械臂。
[0088] 进一步地,所述的智能手柄模块15,固定于手柄安装接口b12,位于穿戴者身体的侧部,主要应用于控制模式中的智能手柄控制模式,主要面向手臂肌肉功能障碍的人群,通过遥操作的方式,控制机械臂的运动方向。
[0089] 进一步地,所述的脑机接口模块,应用于控制模式中的脑机接口控制模式,主要面向残疾人等失去手臂功能的人群,通过脑电控制的方式控制机械臂完成运动,及机械钳的开关。脑电信号通过电极位置安装国际10-20分法布置的脑电图帽采集,穿戴方便,操作简单,检测效率高。
[0090] 进一步地,所述的视觉传感器,机械臂通过配备的视觉传感器,完成自主避障,当机械臂目标路径和肢体运动有冲突时,机械臂会自主避开人体部位到达保护人本体的作用,同时机械臂还能达到既定目标位置;当需要保持机械臂某一姿态而同时视觉范围内出现障碍物,机械臂能够保持末端位置不变的情况下,完成障碍物躲避。进一步地,所述的控制驱动单元,主要有驱动机械臂动作的七自由度绳驱双臂动作控制器c1,脑电控制器c2,肌电控制器c3,视觉控制器c4,手柄控制器c5组成。七自由度绳驱双臂动作控制器c1驱动机械臂关节电机,脑电控制器执行脑电信号处理及方向控制,肌电控制器负责肌电信号处理,及相应的动作识别,手柄控制器控制手柄的操作,视觉控制器完成视觉传感器的视觉信号处理。
[0091] 图6为系统框图,其中视觉传感器将提供机械臂自主避障功能。视觉传感器将通过视觉传感器采集的3D点图像,确定障碍物与机械臂的相对位置。判断障碍物与机械臂之间的碰撞点,使用机械臂的冗余度使得碰撞点向远离障碍物的方向移动,来完成避障。同时机械臂末端沿着使用者通过其选择的控制模式发给控制器的运动方向运动。
[0092] 图7为机械臂避障示意图:
[0093]
[0094] 其中,
[0095] 是给定的机械臂关节转速
[0096] Je是机械臂末端的雅克比矩阵
[0097] Jo是机械臂上碰撞点处的雅克比矩阵
[0098] 是机械臂末端的给定速度
[0099] 是机械臂上碰撞点处向远离障碍物方向运动的速度
[0100] I为单位矩阵
[0101] 上标T为转置
[0102] 符号 为伪逆。
[0103] 下面结合具体实例对本实施例的三种不同控制模式作进一步具体详细描述。
[0104] 数据脚套控制模式:
[0105] 如图8所示,用户将穿戴数据脚套8-1,其中包括脚趾端上的弯曲传感器8-2,当使用者脚趾上屈时将控制机械臂往上方向移动,当使用者脚趾下屈时将控制机械臂向下移动。图9为数据脚套脚底部分的压电片,将检测双脚不同部位压力分布,实现控制对应的机械臂在上下左右前后6个方向上的移动。所述的压力区域判断计算方法如下。定义:
[0106] FAB=FA-FB
[0107] FAC=FA-FC
[0108] FAD=FA-FD
[0109] 其中FA为A区域中所有压力传感器所受力之和,FB、FC、FD同理;FAB为A、B区域之间的压力差,FAC、FAD同理。
[0110] 当A区域与其余区域之间的压力差值远大于0时即FAB>>0,,FAC>>0,FAD>>0,同时成立的时候则认为用户输入“前”命令,通过速度控制器,左右脚所分别对应的左、右机械臂将在前方向上以用户预设的速度运动。同理B区域控制后方向,其压力通过和A,C,D区域通过互相比较分别控制左,右方向。E区域则控制机械钳开关。
[0111] 智能手柄控制模式:
[0112] 在腰部配备左右两个控制手柄,可向前后左右4个方向运动,并且可以感受垂直方向的压力。通过采集到的运动方向控制信号,将运动方向发送给速度控制器,根据正向运动学,及用户可预设的末端速度,使得机械臂在该方向上运动。同时在选择完方向后悔自动恢复到手柄的初始位置,提高安全可靠性。
[0113] 脑机接口控制模式:
[0114] 运动意图识别可采用的方法包括基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)等脑电信号特征提取与分类。通过P300或者SSVEP脑电特征来进行机械臂运动方向上的控制。在用户界面上将在代表机械臂前后左右上下运动方向的箭头(频率:15Hz,12Hz,10Hz,8.57Hz,7.5Hz,6.67Hz)和代表机械钳开关的ON、OFF图标(频率:60Hz,30Hz)上以各不相同的频率进行闪烁。例如当使用者盯着代表向前的箭头时,系统将辨识机械臂运动方向为前方向,并使机械臂在前方向上以用户预设的速度运动。后、左、右、上、下方向和机械钳的开关同理。
[0115] 如上所述便可较好地实现本发明。
[0116] 上述实施例为本发明的较佳实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围内。
高效检索全球专利

专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询,专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,免费查、免费专利分析。

申请试用

分析报告

专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析,涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度,系统通过AI智能系统对图表进行解读,只需1分钟,一键生成行业专利分析报告。

申请试用

QQ群二维码
意见反馈