CN104635616A - 一种应用于人机技能传递的人机耦合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于人机技能传递的人机耦合装置，包括力传感器、人体腕部连接器、球形手柄以及肌电采集仪，其中所述的力传感器的工作面分别与人体腕部连接器、球形手柄连接，力传感器的安装面通过底座与工作台连接，力传感器的安装面通过法兰盘与机器人手臂末端相连；所述的肌电采集仪通过电极与人体手臂相应皮肤表面相连，信号输出端连接计算机。本发明的耦合装置及方法，其械结构简单，安装方便，且具有安全保护作用，造价低，稳定性、跨平台兼容性好，在遥操作，外骨骼机器人，康复机器人，工业机器人等领域均具有一定的应用前景，且在进行人体肌电信息控制机器人时不会造成信号干扰。
Description
技术领域
本发明涉及机器人人机交互领域的人机技能传递系统领域，特别涉及一种应用于人机技能传递的人机耦合装置及方法。
背景技术
近些年来，机器人技术获得了广泛的应用空间，在工业，军事，医疗，康复，助力等领域均获得了较大发展和实际应用，为了更好的发挥机器人优势，提高机器人的智能性和快速适应性，越来越多的机器人需要与人有身体接触，协同完成工作。因而就需要有满足人机耦合的设备，使人和机器人通过各种接口连成一体。完成人机技能传递等功能，一般的连接方法是通过机械连接件或者柔性体把人和机器人固连在一起。该方法虽然简单实用，但是忽视了人机交互过程中可能产生的安全隐患，如一旦机器人失控，需要人脱离机器人到安全区域，但是传统的连接方法很难快速的把人和机器人分开，因而会带来潜在的危险性。基于此，既能够满足人机耦合的需要，又能在出现意外的情况下人体自动脱离的接口机制成为诸如外骨骼机器人，快速示教接口设备的基本要求。
美国发明专利公开号：WO2014070672A1，名称：A coupling system，提出了一种利用永磁体作为与机器人连接的方式，通过普通纤维粘性带连接人的手腕，该方法满足快速连接人和机器人，并且可根据实际需要调节磁力的大小，当接口处的力过大时即可自动从机器人脱离，满足了安全性，便捷性的需要。但是由于永磁铁的引入，在进行人体肌电信息控制机器人时会造成信号干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于人机技能传递的人机耦合装置。
本发明的另一目的在于提供一种应用于人机技能传递的人机耦合方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种应用于人机技能传递的人机耦合装置，包括力传感器、人体腕部连接器、球形手柄以及肌电采集仪，其中所述的力传感器的工作面分别与人体腕部连接器、球形手柄连接，力传感器的安装面通过底座与工作台连接，力传感器的安装面通过法兰盘与机器人手臂末端相连；所述的肌电采集仪通过电极与人体手臂相应皮肤表面相连，信号输出端连接计算机。
所述的力传感器的工作面与人体腕部连接器、球形手柄通过法兰盘连接，力传感器的安装面通过法兰盘与底座相连，底座通过C型夹持器与工作台相连。C型夹持器用于固定支撑底座，方便安装和移除。
所述的人体腕部连接器由手腕支撑台及U型调节板组成，手腕支撑台和U型调节板通过调整螺钉连接，调整螺钉通过垫片进行拧紧或放松，U型调节板上开有U型槽，根据不同人的手臂特征调整手腕支撑台与U型调节板之间的间隙。人体腕部连接器具有安全保护作用，通过螺钉调整预紧力的大小，当误操作或机器人失控时，人的手臂可以摆脱连接器，防止意外事故的发生。
所述的手腕支撑台通过法兰盘与机器人手臂末端相连，通过该法兰盘可以与机器人手臂末端连接在一起，方便人机技能传递等交互。
所述的手腕支撑台、U型调节板，其内表面设置一层软质塑料，如泡沫材料等，用于保护人体手臂接触连接器时因误操作造成的皮肤划伤等，同时增加用户的手臂舒适度。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
一种应用于人机技能传递的人机耦合方法，包含以下顺序的步骤：
S1.肌电阻抗控制初始校准系统：利用腕部连接器固定人体手腕，限制其运动，且经过法兰盘连接力传感器，通过肌电采集仪实现肌电阻抗控制初始校准，该系统有两个输入端，一端为力信号输入端，一端为肌电信号输入端，两端信号通过肌电阻抗初始校准界面的近似线性处理，即可获得所需的人体阻抗系数；
S2.根据需要移除手臂腕部连接器，此时球形手柄通过相应的法兰和力传感器相连，用户可以握住手柄实现各种操作或机器人触觉操作；该手柄有两种工作模式：1)固定在工作台上，主要完成肌电信号阻抗信息的初始校准，评估；2)固定在机器人末端，完成机器人的末端触觉操作或示教操作；
S3.人机技能传递系统:将人体手臂末端的灵巧性实时传输给机器人，通过腕部连接器及其与机器人手臂末端接口形成稳固联接，在机器人示教界面或学习记录界面下完成人的技能参数和机器人运动学和动力学参数的匹配。
所述的肌电阻抗初始校准界面，是带有可视化反馈界面，用户根据力反馈和肌电信号反馈实时修正实验偏差。常见的实验偏差，如电极贴片位置不精确，粘贴不牢，噪声干扰等。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明利用简洁的机械电子装置实现人机物理耦合，结构简单、成本低、重量轻、穿戴方便，且具有安全保护作用。
2、本发明带有力传感器接口和机器人连接适配器，可以和不同的机器人平台兼容，既可用于表面肌电信号采集，也可用于机器人示教作业，为人机技能传递或协作提供了无缝接口。
附图说明
图1为人机耦合机制用于人体阻抗信息的评估及人机技能传递的初始调整工作示意图；
图2为图1中连接人体的腕部连接器结构示意图；
图3为人机技能传递或快速示教的应用示意图；
图4为人体腕部的连接器连接机器人和人的组合机制示意图；
图5为带有手柄的人体腕部连接器示意图；
图6为U型人体腕部连接器调整块示意图；
图7为人机耦合机制工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、2、3、4、5，一种应用于人机技能传递的人机耦合装置，包括力传感器7、人体腕部连接器4、球形手柄15以及肌电采集仪1，其中所述的力传感器7的工作面分别与人体腕部连接器、球形手柄15连接，力传感器的安装面通过底座6与工作台5连接，力传感器的安装面通过法兰盘13与机器人手臂12末端相连；所述的肌电采集仪1通过电极3与人体手臂相应皮肤表面相连，信号输出端连接计算机2。
如图4，所述的力传感器的工作面与人体腕部连接器4、球形手柄15通过法兰盘14连接，力传感器7的安装面通过法兰盘与底座相连，底座通过C型夹持器与工作台相连。
所述的人体腕部连接器由手腕支撑台8及U型调节板9组成，手腕支撑台8和U型调节板9通过调整螺钉11连接，调整螺钉11通过垫片10进行拧紧或放松，如图6，U型调节板9上开有U型槽16，根据不同人的手臂特征调整手腕支撑台8与U型调节板9之间的间隙。
所述的手腕支撑台通过法兰盘与机器人手臂末端相连。
所述的手腕支撑台、U型调节板，其内表面设置一层软质塑料。
一种应用于人机技能传递的人机耦合方法，包含以下顺序的步骤：
S1.肌电阻抗控制初始校准系统：利用腕部连接器固定人体手腕，限制其运动，且经过法兰盘连接力传感器，通过肌电采集仪实现肌电阻抗控制初始校准，该系统有两个输入端，一端为力信号输入端，一端为肌电信号输入端，两端信号通过肌电阻抗初始校准界面的近似线性处理，即可获得所需的人体阻抗系数；
S2.根据需要移除手臂腕部连接器，此时球形手柄通过相应的法兰和力传感器相连，用户可以握住手柄实现各种操作或机器人触觉操作；该手柄有两种工作模式：1)固定在工作台上，主要完成肌电信号阻抗信息的初始校准，评估；2)固定在机器人末端，完成机器人的末端触觉操作或示教操作；
S3.人机技能传递系统:将人体手臂末端的灵巧性实时传输给机器人，通过腕部连接器及其与机器人手臂末端接口形成稳固联接，在机器人示教界面或学习记录界面下完成人的技能参数和机器人运动学和动力学参数的匹配。
所述的肌电阻抗初始校准界面，是带有可视化反馈界面，用户根据力反馈和肌电信号反馈实时修正实验偏差。
该人机技能传递系统工作原理如图7所示，用户通过穿戴人机耦合装置可完成两种人机技能传递模式：
(1)用户-人机耦合装置-机器人，通过该模式，用户通过耦合装置与机器人末端直接耦合，通过人机技能传递界面完成机器人示教，远程控制等操作，人的手臂末端运动和力等数据直接传递给机器人，使机器人根据人的意志完成特定功能。该模式不会影响用户的手部功能，即人手可以和机器人协作完成复杂操作，同时耦合装置中的力传感器可以实时反馈用户施加力的大小，实现安全，精细化操作。
(2)用户-人机耦合装置-肌电采集仪，用户通过人机耦合装置和肌电采集信号仪连接，肌电信号采集仪通过肌电电极采集人体表面肌电信号，同时通过耦合装置的力传感器采集人体关节的力，通过相应的人体关节阻抗提取算法获得人体关节刚度序列，并通过人体阻抗校准界面映射到机器人各个对应关节，通过人机技能传递界面使机器人具有人的关节阻抗特性，提高机器人的柔顺性，安全性等。其中人机技能传递界面主要完成人体运动，力等机械信息映射到机器人的各个关节并预设有不同的控制模式，如阻抗控制，位置控制等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，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、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种应用于人机技能传递的人机耦合装置，其特征在于：包括力传感器、人体腕部连接器、球形手柄以及肌电采集仪，其中所述的力传感器的工作面分别与人体腕部连接器、球形手柄连接，力传感器的安装面通过底座与工作台连接，力传感器的安装面通过法兰盘与机器人手臂末端相连；所述的肌电采集仪通过电极与人体手臂相应皮肤表面相连，信号输出端连接计算机。
2.根据权利要求1所述的应用于人机技能传递的人机耦合装置，其特征在于：所述的力传感器的工作面与人体腕部连接器、球形手柄通过法兰盘连接，力传感器的安装面通过法兰盘与底座相连，底座通过C型夹持器与工作台相连。
3.根据权利要求1所述的应用于人机技能传递的人机耦合装置，其特征在于：所述的人体腕部连接器由手腕支撑台及U型调节板组成，手腕支撑台和U型调节板通过调整螺钉连接，调整螺钉通过垫片进行拧紧或放松，U型调节板上开有U型槽，根据不同人的手臂特征调整手腕支撑台与U型调节板之间的间隙。
4.根据权利要求3所述的应用于人机技能传递的人机耦合装置，其特征在于：所述的手腕支撑台通过法兰盘与机器人手臂末端相连。
5.根据权利要求3所述的应用于人机技能传递的人机耦合装置，其特征在于：所述的手腕支撑台、U型调节板，其内表面设置一层软质塑料。
6.一种应用于人机技能传递的人机耦合方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
S1.肌电阻抗控制初始校准系统：利用腕部连接器固定人体手腕，限制其运动，且经过法兰盘连接力传感器，通过肌电采集仪实现肌电阻抗控制初始校准，该系统有两个输入端，一端为力信号输入端，一端为肌电信号输入端，两端信号通过肌电阻抗初始校准界面的近似线性处理，即可获得所需的人体阻抗系数；
S2.根据需要移除手臂腕部连接器，此时球形手柄通过相应的法兰和力传感器相连，用户可以握住手柄实现各种操作或机器人触觉操作；该手柄有两种工作模式：1)固定在工作台上，主要完成肌电信号阻抗信息的初始校准、评估；2)固定在机器人末端，完成机器人的末端触觉操作或示教操作；
S3.人机技能传递系统:将人体手臂末端的灵巧性实时传输给机器人，通过腕部连接器及其与机器人手臂末端接口形成稳固联接，在机器人示教界面或学习记录界面下完成人的技能参数和机器人运动学和动力学参数的匹配。
7.根据权利要求6所述的应用于人机技能传递的人机耦合方法，其特征在于，所述的肌电阻抗初始校准界面，是带有可视化反馈界面，用户根据力反馈和肌电信号反馈实时修正实验偏差。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171020 |