CN111515934A - 一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及装备保障技术领域，特别涉及一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统及其控制方法，包括物理系统和控制系统，其特征在于：所述物理系统包括机械骨骼架及绑缚系统、动力驱动系统、传感器系统、控制系统硬件及动力能量源系统；所述控制系统包括传感及执行元件接口程序、运动意图判断与步态识别算法、实时逆动力学求解算法与人机界面程序。本发明的有益效果为：具有设计理念新、模块化程度高、通专结合性好、维修助力大、机动灵活性优、环境适应性强等特点，能帮助维修人员完成长时间、重体力、精细化的维修作业，完成多样化装备保障任务，全面提升装备应急保障的反应速度和综合效能。

Description

一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及装备保障技术领域，特别涉及一种以穿戴式外骨骼为移动助力基体，以双侧腰仿生外肢体和过肩外肢体作为人体上肢功能辅助和补充，以模块化的通用、专用维修工具手臂为功能载体的，将维修人员的智力和机器的“体力”有机融合在一起的一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统及其控制方法。

背景技术

战争形态的加速演变、作战样式的灵活多变、武器装备的升级换代、保障技术的创新发展，迫切要求根据战损装备抢救抢修需求和部队机动性、临时性、灵活性作战特点，提升部队野外条件下战损装备应急救修能力。同时，人工智能、能源动力、自动控制、机器人等技术的迅猛发展，特别是国内在“负载机动”和“托举搬运”型外骨骼系统研究方面的突破性进展，为单兵智能装备保障系统研制奠定了技术基础。

目前，部队野外条件下装备应急抢修能力严重不足，所以，需要设计一种外骨骼系统替代维修人员人力维修的维修模式，帮助维修人员完成长时间、重体力、精细化的维修作业，完成多样化装备保障任务，全面提升装备应急保障的反应速度和综合效能。

发明内容

本发明为了弥补现有技术中部队野外条件下装备应急抢修能力的不足，提供了一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统及其控制方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，包括物理系统和控制系统，其特征在于：

所述物理系统包括机械骨骼架及绑缚系统、动力驱动系统、传感器系统、控制系统硬件及动力能量源系统；

所述控制系统包括传感及执行元件接口程序、运动意图判断与步态识别算法、实时逆动力学求解算法与人机界面程序。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述机械骨骼架及绑缚系统包括外骨骼系统机械骨骼架，外骨骼系统机械骨骼架上安装有姿态传感器，外骨骼系统机械骨骼架的肩部上方通过快拆销连接有两个过肩外肢体吊臂，外骨骼系统机械骨骼架的肩部连接有两个肩部外肢体，外骨骼系统机械骨骼架的髋关节部分连接有两个腰部外肢体，两个腰部外肢体分别连接有腰部外肢体冲击扳手立和腰部外肢体机械抓手。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述外骨骼系统机械骨骼的肢杆末端，即下肢鞋底和肩部外肢体手腕部都安装有区域压力/力/扭矩传感器和姿态传感器，外骨骼系统机械骨骼背部安装有液压系统作为动力驱动系统，液压系统上安装有压力/流量/温度传感器，动力能量源系统采用智能控制策略，安装报警指示和显示功能。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述过肩外肢体吊臂和腰部外肢体采用模块化、组合式的机械挂卡设计，可将各类通用或专用维修工具改装为可更换模块化手臂，根据维修作业需要安装相应功能手臂。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述肩部外肢体设置5个自由度，所述外骨骼系统机械骨骼架的机械腿设置7个自由度，所述过肩外肢体吊臂设置5个自由度，所述腰部外肢体设置7个自由度。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述控制系统中，传感器信息通过FPGA高速预处理后传递给实时控制器；所述运动意图判断与步态识别算法利用姿态信息和肢体末端力信息计算出当前所处的机器状态；所述实时逆动力学求解算法利用姿态信息和动力学参数计算出各关节驱动力矩的希望值，再由实时控制器按照液压底层控制算法计算出电流指令，使液压系统驱动执行元件通过相关机构产生关节驱动力矩，以抵消外部负载产生的反力矩，在保持运动跟随的同时，为穿戴者提供助力。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述机械骨骼架上加装有智能头盔、智能PMA、小型自动测试系统、智能故障诊断系统，同时融合有语音交互、体感交互、眼球识别技术。

基于上述的穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，其控制方法如下：

S1，将外骨骼系统工作场景类型Z、人体疲劳等级P以及机械臂负载重量M作为参考外骨骼机器人动力辅助的状态变量，根据“人-外骨骼-机械臂使用场景”系统特征建立强化学习模型；

S2，依据强化学习模型需要建立各个状态信息的数学模型；

S3，采用基于模拟退火的Q学习算法对所建强化学习模型进行策略求解；

S4，所得优化控制策略用以指导“人-外骨骼-机械臂使用场景”系统在实际工作过程中选取合适的助力方案；

S5，根据不同的控制模式发送控制信号驱动相应的机械臂动作。

本发明的有益效果是：

本发明的系统外肢体为模块化、组合式，可根据维修作业需要灵活选择安装，外骨骼上肢和外肢体前端也可根据需要更换模块化的通用或专用维修工具，满足不同装备不同故障的抢修需求。系统采用机器本体传感的方式识别人体运动意图（即在人体上不安装任何传感器），再通过专门设计的逆动力学高速求解算法求解各关节驱动力矩的期望值，使轻小高效液压驱动单元产生实际的关节驱动力矩，抵消维修作业产生的反力矩，为穿戴者提供助力支持。系统具有膝、髋、肩、肘关节屈伸动作的全程主动助力功能，助力效率、系统发热、噪声、功耗等满足实用化要求。动力源支持锂电池供电和外接电源供电两种方式，一般维修操作动力源为锂电池供电。外骨骼和外肢体折叠后可装箱运输，满足便携式、野战化要求。

本发明以穿戴式外骨骼为移动助力基体，以双侧腰仿生外肢体和过肩外肢体作为人体上肢功能辅助和补充，以模块化的通用、专用维修工具手臂为功能载体，将维修人员的智力和机器的“体力”有机融合在一起，颠覆了维修保障活动依靠传统双臂的维修模式，有机集成各类通、专用工具。系统具有设计理念新、模块化程度高、通专结合性好、维修助力大、机动灵活性优、环境适应性强等特点，能帮助维修人员完成长时间、重体力、精细化的维修作业，完成多样化装备保障任务，全面提升装备应急保障的反应速度和综合效能。

附图说明

图1为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的穿戴时的立体结构示意图；

图2为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的无人时的立体结构示意图；

图3为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的主视结构爆炸图；

图4为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的外骨骼系统机械骨骼架；

图5为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的过肩外肢体吊臂立体机构示意图；

图6为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的肩部外肢体立体结构示意图；

图7为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的腰部外肢体冲击扳手立体结构示意图；

图8为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的腰部外肢体机械抓手立体结构示意图；

图9为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的工作原理图；

图10为本发明穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的系统组成框图。

图中，

1、外骨骼系统机械骨骼架，2、过肩外肢体吊臂，3、肩部外肢体，4、腰部外肢体冲击扳手立，5、腰部外肢体机械抓手。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1-图10为本发明的一种具体实施例，该实施例为一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统。

本实施例的系统依据人体的身体结构与运动特性进行人体三维仿形设计与轻量一体化设计。系统以可穿戴助力外骨骼为移动助力基体，以过肩外肢体和双侧腰仿生外肢体作为人体上肢功能辅助和补充，机械臂与人体手臂可保持运动同步，每条机械臂设计了5个自由度，每条机械腿设计了7个自由度，过肩外肢体设计了5个自由度，双侧腰仿生外肢体设计了7个自由度，总体外观如图1、图2所示。

本实施系统外肢体为模块化、组合式，可根据维修作业需要灵活选择安装，外骨骼上肢和外肢体前端也可根据需要更换模块化的通用或专用维修工具，满足不同装备不同故障的抢修需求。系统采用机器本体传感的方式识别人体运动意图（即在人体上不安装任何传感器），再通过专门设计的逆动力学高速求解算法求解各关节驱动力矩的期望值，使轻小高效液压驱动单元产生实际的关节驱动力矩，抵消维修作业产生的反力矩，为穿戴者提供助力支持。系统具有膝、髋、肩、肘关节屈伸动作的全程主动助力功能，助力效率、系统发热、噪声、功耗等满足实用化要求。动力源支持锂电池供电和外接电源供电两种方式，一般维修操作动力源为锂电池供电。外骨骼和外肢体折叠后可装箱运输，满足便携式、野战化要求。

本实施例的系统功能如下：

一、基本功能

1.维修助力功能

系统通过穿戴式外骨骼作为移动助力基体，并通过的模块化、组合式的腰仿生外肢体和过肩外肢体作为人体上肢功能辅助和补充，改变了依靠维修人员双臂维修模式，有效提升了维修人员的“体力”，能够帮助维修人员完成装甲车辆、自行火炮、雷达、导弹等装备长时间、重体力、精细化的维修作业，如装备的主动轮、负重轮、平衡肘、扭力轴、炮闩、电机、轮胎等部组件拆卸、安装、吊装、转运、拔插作业等。

2. 通专结合的维修功能

外骨骼上肢和外肢体手臂部分采用模块化、组合式的机械挂卡设计，可将各类通用或专用维修工具改装为可更换模块化手臂，根据维修作业需要安装相应功能手臂，如图5-图8所示。外骨骼上肢和外肢体作为载体，集成各型工具功能手臂，便可满足不同装备不同故障的抢修需求。

二、拓展功能

1.骨骼作为依托的保障功能

系统可作为一个其他智能化维修设备的搭载平台，可加装智能头盔、智能PMA、小型自动测试系统、智能故障诊断系统等多功能的维修工具，大幅提高单兵装备保障能力。同时还融合了语音交互、体感交互、眼球识别等技术，能够将战场保障信息实时传送至保障指挥中心，全方位提升单兵战场感知能力，为部队遂行任务提供强力装备保障支撑。

2.作战应用和后勤保障功能

系统不仅能大幅提升士兵徒步携行能力，帮助士兵携行自己的武器弹药、防护装具、野营装具以及食品、水等生活补给品，解决当前徒步士兵携行能力不足的问题，还能有效增强士兵抓起或搬运后勤物资能力，延长持久机动性，提高耐力，增强战场适应能力。系统的运用可大幅提高士兵作战能力和自身保障能力，打造未来战场上的“超级战士”。

3.智能维修机器人系统基础模型

外骨骼系统本身具有的集成性、灵活性、自主性特点，进一步融合人工智能、自动控制等先进技术，可成为智能化、多功能装备维修机器人，实施自主式装备维修，更好融入未来战争，成为无人战场的无人智能保障系统。

本实施例的维修工具与外骨骼具体结构如下：外骨骼与多种维修机械臂通过模块化接口进行连接，具有维修功能结构多样化，安装模块化，可重构化高的特点。采用一套高度模块化的可重构外骨骼机器人本体，结合多任务模块机械臂来实现各种不同维修场景的任务切换。高度模块化的可重构外骨骼本体，包括左外骨骼手臂和右外骨骼手臂，左外骨骼手臂和右外骨骼手臂分别与外骨骼躯干连接，外骨骼躯干与外骨骼髋关节连接，外骨骼髋关节分别与左外骨骼下肢和右外骨骼下肢连接。气动扳手机械臂与气动爪手机械臂分别与外骨骼髋关节通过螺栓进行固定连接，肩部两个吊装机械臂与外骨骼肩部通过快拆销进行连接。

本实施例的系统工作原理如图9所示，外骨骼系统机械骨骼架上安装了姿态传感器，系统与外界环境的肢杆末端——下肢鞋底和上肢手腕部都安装了区域压力/力/扭矩传感器和姿态传感器，液压系统安装了压力/流量/温度传感器，能源系统采用智能控制策略，安装报警指示和显示功能。传感器信息通过FPGA高速预处理（零偏补偿与单位换算）后传递给实时控制器。其中，“运动意图判断与步态识别算法”利用姿态信息和肢体末端力信息计算出当前所处的机器状态，“实时逆动力学求解算法”利用姿态信息和动力学参数计算出各关节驱动力矩的希望值，再由实时控制器按照液压底层控制算法计算出电流指令，使液压系统驱动执行元件通过相关机构产生关节驱动力矩，以抵消外部负载产生的反力矩，在保持运动跟随的同时，为穿戴者提供助力。外肢体采用程序和跟随控制，人员操控控制外肢体辅助维修人员进行作业。

本实施例的系统构成如图10所示，主要包括两大部分，即：物理系统和控制系统。物理系统主要包括：机械骨骼架及绑缚系统、动力驱动系统、传感器系统、控制系统硬件及动力能量源系统等。控制系统主要包括：传感及执行元件接口程序、运动意图判断与步态识别算法、基于外骨骼逆动力学求解算法与人机界面程序等。

本实施例的外骨骼与各种机械臂之间的控制方法如下：

多种维修机械臂上分别预留有与外骨骼本体之间的控制接口，在考虑外骨骼机器人维修作业过程中、人体疲劳以及工作场景随机情况下，提出了一种基于强化学习的外骨骼机器人机械臂控制方法。首先将外骨骼机器人工作场景类型Z、人体疲劳等级P以及机械臂负载重量M作为参考外骨骼机器人动力辅助的状态变量，根据“人-外骨骼-机械臂使用场景”系统特征建立强化学习模型；并依据强化学习模型需要建立各个状态信息的数学模型；再采用基于模拟退火的Q学习算法对所建强化学习模型进行策略求解，所得优化控制策略用以指导“人-外骨骼-机械臂使用场景”系统在实际工作过程中选取合适的助力方案，实现系统生产率的提高，最后根据不同的控制模式发送控制信号驱动相应的机械臂动作。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，包括物理系统和控制系统，其特征在于：

所述物理系统包括机械骨骼架及绑缚系统、动力驱动系统、传感器系统、控制系统硬件及动力能量源系统；

所述控制系统包括传感及执行元件接口程序、运动意图判断与步态识别算法、实时逆动力学求解算法与人机界面程序。

2.根据权利要求1所述的穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，其特征在于：

所述机械骨骼架及绑缚系统包括外骨骼系统机械骨骼架（1），外骨骼系统机械骨骼架（1）上安装有姿态传感器，外骨骼系统机械骨骼架（1）的肩部上方通过快拆销连接有两个过肩外肢体吊臂（2），外骨骼系统机械骨骼架（1）的肩部连接有两个肩部外肢体（3），外骨骼系统机械骨骼架（1）的髋关节部分连接有两个腰部外肢体，两个腰部外肢体分别连接有腰部外肢体冲击扳手立（4）和腰部外肢体机械抓手（5）。

3.根据权利要求2所述的穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，其特征在于：

所述外骨骼系统机械骨骼（1）的肢杆末端，即下肢鞋底和肩部外肢体（3）手腕部都安装有区域压力/力/扭矩传感器和姿态传感器，外骨骼系统机械骨骼（1）背部安装有液压系统作为动力驱动系统，液压系统上安装有压力/流量/温度传感器，动力能量源系统采用智能控制策略，安装报警指示和显示功能。

4.根据权利要求2所述的穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，其特征在于：

所述过肩外肢体吊臂（2）和腰部外肢体采用模块化、组合式的机械挂卡设计，可将各类通用或专用维修工具改装为可更换模块化手臂，根据维修作业需要安装相应功能手臂。

5.根据权利要求2所述的穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，其特征在于：

所述肩部外肢体（3）设置5个自由度，所述外骨骼系统机械骨骼架（1）的机械腿设置7个自由度，所述过肩外肢体吊臂（2）设置5个自由度，所述腰部外肢体设置7个自由度。

6.根据权利要求1所述的穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，其特征在于：

所述控制系统中，传感器信息通过FPGA高速预处理后传递给实时控制器；所述运动意图判断与步态识别算法利用姿态信息和肢体末端力信息计算出当前所处的机器状态；所述实时逆动力学求解算法利用姿态信息和动力学参数计算出各关节驱动力矩的希望值，再由实时控制器按照液压底层控制算法计算出电流指令，使液压系统驱动执行元件通过相关机构产生关节驱动力矩，以抵消外部负载产生的反力矩，在保持运动跟随的同时，为穿戴者提供助力。

7.根据权利要求1所述的穿戴式单兵装备维修外骨骼系统，其特征在于：

所述机械骨骼架上加装有智能头盔、智能PMA、小型自动测试系统、智能故障诊断系统，同时融合有语音交互、体感交互、眼球识别技术。

8.一种穿戴式单兵装备维修外骨骼系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将外骨骼系统工作场景类型Z、人体疲劳等级P以及机械臂负载重量M作为参考外骨骼机器人动力辅助的状态变量，根据“人-外骨骼-机械臂使用场景”系统特征建立强化学习模型；

S2，依据强化学习模型需要建立各个状态信息的数学模型；

S3，采用基于模拟退火的Q学习算法对所建强化学习模型进行策略求解；

S4，所得优化控制策略用以指导“人-外骨骼-机械臂使用场景”系统在实际工作过程中选取合适的助力方案；

S5，根据不同的控制模式发送控制信号驱动相应的机械臂动作。

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