CN113043249A - 一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，涉及外骨骼机器人技术领域。本发明一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人分为上下两部分，上半部分包括背部固定装置、肩关节执行机构、大臂连杆、肘关节执行机构、小臂连杆、单侧激光挡板、单侧固定把手，下半部分包括腰部固定装置、髋关节执行机构、大腿连杆、膝关节执行机构、小腿连杆、踝关节执行机构和脚底板。本发明采用激光传感器精准定位，在适当的场合用机械取代人力来完成重复性劳动，实现高精度的装配作业、搬移和翻转任务。

Description

一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人技术领域，特别指一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人。
背景技术
外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息和移动计算多学科的综合技术，外骨骼机器人是一种可穿戴的机械机构，可以为人体提供助力，增强人体技能，在辅助运动方面也有着突出的发展前景。随着科学技术的发展，外骨骼机器人在军事和民用等领域有着更加广阔的应用前景，已经成为当前各国在机器人领域的研究重点。
随着我国经济的快速发展,出现了很多关于高精度装配的场景。针对高精度装配产品，现通过作业人员的经验进行装配，限制了产品装配的发展，普通作业人员不能单人完成既定的装配任务，且容易出现装配事故，造成产品损坏。未来自动化装配现场将朝着高质量要求、多技术融合的方向发展，在适当的场合用机械取代人力来完成重复性劳动，实现高精度装配作业、搬移和翻转任务已成为趋势。
发明内容
为了在特定的场合用机械取代人力来完成重复性高精度装配作业，本发明提供一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，本发明通过多种传感器采集人体的运动信号，实现人与机器的协同运动。可发挥机器的稳定性，利用激光传感器高精度测距的特性，实现穿戴外骨骼机器人进行高精度装配控制。
本发明一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，包括上下分为两部分；上半部分包括背部固定装置、肩关节执行机构、大臂连杆、肘关节执行机构、小臂连杆、单侧激光挡板、单侧固定把手；所述背部固定装置通过肩关节执行机构铰连接于大臂连杆的顶部，大臂连杆的底部通过肘关节执行机构铰连接于小臂连杆的顶部，一侧小臂连杆的底部通过轴承铰链接单侧激光挡板，另一侧小臂连杆通过固定螺栓连接单侧固定把手；下半部分包括腰部固定装置、髋关节执行机构、大腿连杆、膝关节执行机构、小腿连杆、踝关节执行机构和脚底板；所述腰部固定装置通过髋关节执行机构铰连接于大腿连杆的顶部，所述大腿连杆的底部通过膝关节执行机构铰连接于小腿连杆的顶部，所述小腿连杆的底部通过踝关节执行机构铰连接于脚底板；
所述大臂连杆、小臂连杆、大腿连杆和小腿连杆中部均设有固定板，固定板内侧设有人机交互力采集模块；
所述脚底板设有足底压力信息采集模块；
所述大臂连杆、小臂连杆、大腿连杆和小腿连杆外侧绑缚惯性信息采集模块；
所述肩关节执行机构、肘关节执行机构、髋关节执行机构和膝关节执行机构上均安装有编码器，均为矢状面主动自由度；
所述髋关节执行机构为横断面被动自由度，所述踝关节执行机构为矢状面被动自由度。
所述大腿连杆与小腿连杆的上部分均为固定杆，下部分均为伸缩杆；
所述单侧激光挡板包括平行光挡板、竖直光挡板、稳定轴承和弧形导轨，所述平行光挡板用于反射平行激光传感器发射的激光，所述竖直光挡板用于反射竖直激光传感器发射的激光，所述激光传感器通过反射激光测距；
所述单侧固定把手包括固定球、转动轴和把手，所述固定球用于卡住把手，确保把手处于打开状态，把手与装配轴对应位置的固定槽相配合；
所述背部固定装置远离人体一侧安装控制器，所述控制器对传感器信息进行实时处理，融合决策，进而控制整个外骨骼机器人。
进一步地，上述肩关节执行机构、肘关节执行机构、髋关节执行机构和膝关节执行机构从远离人体端到靠近人体端均依次包括盘式无刷电机、关节连接架、谐波减速器、上关节连接件和下关节连接件；所述踝关节执行机构由轴承和阻尼器构成，阻尼器在远离人体端。
进一步地，上述大腿连杆与小腿连杆的固定杆为空腔杆，空腔杆远离人腿侧设有数个调节孔，所述空腔杆在人腿前后两侧设有固定板，所述固定板上设有用于连接绑缚带和安装人机交互力采集模块的固定孔，所述伸缩杆为实心杆，且非靠近人腿侧设有与调节孔相对应的螺纹孔，所述伸缩杆的顶部深入空腔杆内部。
进一步地，上述脚底板包括底板、足前固定装置、足中固定装置、足后固定装置、踝关节连杆、传感器槽和传感器垫片，所述传感器槽用于放置足底压力信息采集模块的薄膜式压力传感器，用于采集足底压力信号。
进一步地，上述惯性信息采集模块包括惯性传感器，用于采集穿戴者上下肢的角加速度信息、角速度信息及角度信息。
进一步地，上述人机交互力采集模块包括压电式压力传感器，用于采集人体与外骨骼机器人之间产生的交互力信息。
进一步地，上述激光传感器为激光位移传感器，用于采集外骨骼精确装配中的实时距离，实现精确定位装配控制。
所述固定板包括绑缚带，且固定板内表面设置有棉布层，所述绑缚带采用柔性绑缚带。
所述足底压力信息采集模块由薄膜式压力传感器和信号变送单元构成。所述信号变送单元由TM32F103C8T6单片机构成。
所述惯性信息采集模块主要由MPU6050惯性传感器和信号变送单元构成。所述信号变送单元由TM32F103C8T6单片机构成。
所述人机交互力采集模块主要由压电式压力传感器和信号变送单元构成，所述信号变送单元由TM32F103C8T6单片机构成。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明采用激光传感器测距，能够精确定位，使装配误差≤1mm；
2、本发明可以对30kg及以下负载进行托举装配、搬移及翻转等动作；
3、本发明的单侧激光挡板机构能够保证外骨骼机器人在一定活动范围内使激光传感器测距准确；
4、本发明其主要活动位置和作业人员进行装配时活动关节相适应，能满足装配作业的辅助要求；
5、本发明采用多部位的柔性绑缚带，可以提高使用者穿戴时的舒适度；
6、本发明在关节处设置编码器，可以通过信息采集及处理，控制外骨骼机器人的运动状态，能够有效提高辅助效率。
附图说明
图1为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人的机械结构示意图。
图2为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人的控制结构示意图。
图3为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人装配状态示意图。
图4为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人装配状态三视图主视图。
图5为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人装配状态三视图俯视图。
图6为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人装配状态三视图左视图。
图7为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人的激光挡板结构示意图。
图8为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人的固定把手结构示意图。
图9为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人的肩关节、肘关节、髋关节和膝关节执行机构结构示意图。
图10为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人的踝关节执行机构结构示意图。
图11为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人的伸缩杆结构示意图。
图12为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人的脚底板结构示意图。
图13为本发明的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人惯性信息采集模块安装位置示意图。
图14为根据运动学原理推导小臂末端位置示意图。
图15为根据运动学原理推导装配目标位置示意图。
图中：101背部固定装置；102肩关节执行机构；103大臂连杆；104肘关节执行结构；105小臂连杆；106单侧激光挡板；107单侧固定把手；108小臂固定板；109大臂固定板；110腰部绑缚带；111肩部绑缚带；
201腰部固定装置；202髋关节执行机构；203大腿连杆；204膝关节执行机构；205小腿连杆；206踝关节执行机构；207脚底板；208小腿固定板；209大腿固定板；301装配轴；302装配支架；303装配孔架；401装配支架上的激光传感器；402装配孔架上的激光传感器；501外骨骼机器人上的控制器；
701弧形导轨；702稳定轴承；703平行光挡板；704竖直光挡板；
801把手；802转动轴；803固定球；
901下关节连接件；902上关节连接件；903谐波减速器；904关节连接架；905盘式无刷电机；
1001伸缩杆；1002固定通孔；1003固定杆；1004固定螺纹孔；
1101轴承；1102关节连接轴；1103踝关节连杆；1104阻尼器连接垫片；1105阻尼器；1106阻尼器连接板；1107关节前限位板；1108关节后限位板；
1201底板；1202足前固定装置；1203足中固定装置；1204足后固定装置；1205传感器槽；1206传感器垫片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明为一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，从上到下依次包括背部固定装置101、肩关节执行机构102、大臂连杆103、肘关节执行结构104、小臂连杆105、腰部固定装置201、髋关节执行机构202、大腿连杆203、膝关节执行机构204、小腿连杆205、踝关节执行机构206和脚底板207，所述背部固定装置101通过肩关节执行机构102铰连接于大臂连杆103的顶部，所述大臂连杆103的底部通过肘关节执行机构104铰连接于小臂连杆105的顶部，所述一侧小臂105底部通过轴承铰链接单侧激光挡板106，所述另一侧小臂105通过固定螺栓连接单侧卡扣装置107，腰部固定装置201通过髋关节执行机构202铰连接于大腿连杆203的顶部，所述大腿连杆203的底部通过膝关节执行机构204铰连接于小腿连杆205的顶部，所述小腿连杆205的底部通过踝关节执行机构206铰连接于脚底板207。
所述单侧激光挡板106包括弧形导轨701、稳定轴承702、平行光挡板703和竖直光挡板704，所述激光传感器401和402可通过激光挡板106反射的激光进行测距。特别的，如图7所示，弧形导轨701与装配轴301为同心圆设计，以此保证平行光挡板703竖直，竖直光挡板704水平。
所述单侧卡扣装置107包括把手801、转动轴802和固定球803；所述固定球803可以卡住把手801，确保把手801处于打开状态，所述把手801，在装配轴301对应位置有固定槽与之配合。
所述肩关节执行机构102、肘关节执行机构104、髋关节执行机构202和膝关节执行机构204从远离人体端到靠近人体端均依次包括盘式无刷电机905、关节连接架904、谐波减速器903、上关节连接件902和下关节连接件901。
所述踝关节执行机构206包括小腿连杆205、轴承1101、关节连接轴1102、踝关节连杆1103、阻尼器连接垫片1104、阻尼器1105、阻尼器连接板1106、关节前限位板1107和关节后限位板1108，所述阻尼轴1105增加踝关节执行机构206的阻尼，所述关节前限位板1107和关节后限位板1108可以限制踝关节执行机构206的运动范围。
所述肩关节执行机构102的上关节连接件902与背部固定装置101固定连接，其下关节连接件901为大臂连杆103，所述肘节执行机构104的上关节连接件902为大臂连杆103，其下关节连接件901为小臂连杆105，所述髋关节执行机构202的上关节连接件902与腰部固定装置201固定连接，其下关节连接件901为大腿连杆203的固定杆1003，所述膝节执行机构204的上关节连接件902为大腿连杆203的伸缩杆1001，其下关节连接件901为小腿连杆205的固定杆1003，所述踝关节执行机构206的上关节连接件902为小腿连杆205的伸缩杆1001，其下关节连接件901与脚底板207固定连接。
所述大腿连杆203和小腿连杆205均包括伸缩杆1001，所述伸缩杆1001为实心杆，且设有与固定螺纹孔1004相对应的固定通孔1002，所述连杆伸缩杆1001的顶部深入连杆固定杆1003内部。
所述大臂连杆103、小臂连杆105、大腿连杆203和小腿连杆205靠近人腿侧两侧设有固定板109、108、209、208，且固定板109、108、209、208成一定的弧状，符合人体下肢的外形结构，所述固定板109、108、209、208上设有数个固定孔用于连接绑缚带以及安装人机交互力采集模块。
所述脚底板207包括底板1201、足前固定装置1202、足中固定装置1203、足后固定装置1204、传感器槽1205、传感器垫片1206和踝关节连杆1103，所述足中固定装置1203和足后固定装置1204均可连接绑缚带，所述踝关节连杆1103铰连接于小腿连杆205，所述传感器槽1205用于安装薄膜式压力传感器。
研华公司的工控机PCM-3365作为外骨骼机器人的控制器，安装在501处，可以对传感器信息进行实时处理，融合决策，并具有体积小、频率高、功耗低、稳定性高和拓展性高等特点。
薄膜式压力传感器安装在脚底板207的传感器槽1205中，对足底压力进行采集，并具有厚度薄、寿命长、性能稳定和压力范围大等特点。
惯性传感器MPU6050可以采集穿戴者上下肢的角加速度信息、角速度信息及角度信息。
如图13所示：惯性传感器MPU6050绑缚在操作者身上的位置示意。
压电式压力传感器可以采集人体与外骨骼机器人之间产生的交互力，并且该传感器不仅可以检测压力，还可以检测拉力。
所述激光传感器，选用松下HL-G1系列小型激光位移传感器。激光传感器用于采集外骨骼精确装配中的实时距离，实现精确定位装配控制。
所述绑缚带110、111均采用柔性绑缚带。
如图2所示：控制结构由感知系统、控制系统、伺服系统、仿生结构和电源系统5部分组成。感知系统包括足底压力信号、惯性信号、人机交互力信号和激光传感器信号，控制系统由PC104平台搭建，伺服系统由伺服电机和伺服驱动器组成，仿生结构又分为仿生上肢结构和仿生下肢结构，电源系统负责给感知系统、控制系统和伺服系统供电。
为了配合验证高精度装配效果，与外骨骼机器人对应的设计了装配轴，装配支架，装配孔架，所述装配孔架与单侧激光挡板同侧，所述单侧固定把手在另一侧。
在装配支架上安装2个激光传感器，激光分别直射在单侧激光挡板的平行光挡板和竖直光挡板上，在装配孔架上安装2个激光传感器，激光分别直射在装配孔的反光面上。
如图3所示，装配支架302上安装两个激光传感器401，两个均平行发射激光，一个直射在平行光挡板703上，一个直射在装配孔竖直面上，装配孔架303上安装两个激光传感器402，两个均竖直发射激光，一个直射在竖直光挡板704上，一个直射在装配孔平行面上，所述装配轴301与装配孔相配合，且重量为30kg。
所述装配轴301、装配支架302和装配孔架303均为验证本次发明主体外骨骼机器人的验证设计，并不局限于此。
如图14所示：以肩关节执行机构102为坐标原点，以竖直向下为y轴正方向，以水平向前为x轴正方向建立坐标系，以大臂连杆103与y轴正方向的夹角为θ1，以小臂连杆105与大臂连杆103延长线的夹角为θ2，大臂长L1，小臂长L2。通过分析计算，得到装配轴301中心点的坐标(L2*cos(θ1+θ2-90°)+L1*sinθ1,L2*sin(θ1+θ2-90°)-L1*cosθ1)。
如图15所示：以装配轴301中心点为坐标原点，以竖直向下为y轴正方向，以水平向前为x轴正方向建立坐标系，通过激光传感器401的差值补偿计算，并统一标定为(X,Y),最终得到装配孔303中心点的坐标(X+L2*cos(θ1+θ2-90°)+L1*sinθ1,Y+L2*sin(θ1+θ2-90°)-L1*cosθ1)。
本发明的工作过程如下：
当在进行高精度负载装配时，操作者要先穿戴上外骨骼机器人。
根据操作者的身材,调整外骨骼机器人下肢的长度，外骨骼机器人下肢长度调节好后,首先将脚掌放置于底板1201上，依次用足前固定装置1202、足中固定装置1203和足后固定装置1204用于固定脚掌，然后穿戴好外骨骼机器人肩部绑缚带111和腰部绑缚带110，最后，双腿双臂自然的放入腿部臂部的固定板208、209、108、109中，穿戴完毕。
穿戴好外骨骼机器人启动控制器后,操作者可以进行行走、搬运等动作。
在进行高精度装配工作时，需要激光传感器401和402的参与，控制器501可以通过激光传感器401和402的信号计算得到装配轴301中心点与装配孔中心点之间的距离。
再根据所得距离，通过逆运动学计算出肩关节执行机构102与肘关节执行结构104需要转动的角度。
当装配轴301中心点与装配孔303中心点之间的水平距离竖直距离均＜1mm时，即装配轴301对准了装配孔，进行装配，完成高精度装配。
最终，实现了精度1mm的装配任务。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，包括上下分为两部分；上半部分包括背部固定装置(101)、肩关节执行机构(102)、大臂连杆(103)、肘关节执行机构(104)、小臂连杆(105)、单侧激光挡板(106)、单侧固定把手(107)；所述背部固定装置(101)通过肩关节执行机构(102)铰连接于大臂连杆(103)的顶部，大臂连杆(103)的底部通过肘关节执行机构(104)铰连接于小臂连杆(105)的顶部，一侧小臂连杆(105)的底部通过轴承铰链接单侧激光挡板(106)，另一侧小臂连杆(105)通过固定螺栓连接单侧固定把手(107)；下半部分包括腰部固定装置(201)、髋关节执行机构(202)、大腿连杆(203)、膝关节执行机构(204)、小腿连杆(205)、踝关节执行机构(206)和脚底板(207)；所述腰部固定装置(201)通过髋关节执行机构(202)铰连接于大腿连杆(203)的顶部，所述大腿连杆(203)的底部通过膝关节执行机构(204)铰连接于小腿连杆(205)的顶部，所述小腿连杆(205)的底部通过踝关节执行机构(206)铰连接于脚底板(207)；
所述大臂连杆(103)、小臂连杆(105)、大腿连杆(203)和小腿连杆(205)中部均设有固定板，固定板内侧设有人机交互力采集模块；
所述脚底板(207)设有足底压力信息采集模块；
所述大臂连杆(103)、小臂连杆(105)、大腿连杆(203)和小腿连杆(205)外侧绑缚惯性信息采集模块；
所述肩关节执行机构(102)、肘关节执行机构(104)、髋关节执行机构(202)和膝关节执行机构(204)上均安装有编码器，均为矢状面主动自由度；
所述髋关节执行机构(202)为横断面被动自由度，所述踝关节执行机构为矢状面被动自由度；
所述大腿连杆(203)与小腿连杆(205)的上部分均为固定杆(1003)，下部分均为伸缩杆(1001)；
所述单侧激光挡板(106)包括平行光挡板(703)、竖直光挡板(704)、稳定轴承(702)和弧形导轨(701)，所述平行光挡板(703)用于反射平行激光传感器发射的激光，所述竖直光挡板(704)用于反射竖直激光传感器发射的激光，所述激光传感器通过反射激光测距；
所述单侧固定把手(107)包括固定球(803)、转动轴(802)和把手(801)，所述固定球(803)用于卡住把手(801)，确保把手(801)处于打开状态，把手与装配轴(301)对应位置的固定槽相配合；
所述背部固定装置(101)远离人体一侧安装控制器，所述控制器对传感器信息进行实时处理，融合决策，进而控制整个外骨骼机器人。
2.根据权利要求1所述的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，所述肩关节执行机构(102)、肘关节执行机构(104)、髋关节执行机构(202)和膝关节执行机构(204)从远离人体端到靠近人体端均依次包括盘式无刷电机(905)、关节连接架(904)、谐波减速器(903)、上关节连接件(902)和下关节连接件(901)；所述踝关节执行机构(206)由轴承(1101)和阻尼器(1105)构成，阻尼器在远离人体端。
3.根据权利要求1所述的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿连杆(203)与小腿连杆(205)的固定杆(1003)为空腔杆，空腔杆远离人腿侧设有数个调节孔，所述空腔杆在人腿前后两侧设有固定板，所述固定板上设有用于连接绑缚带和安装人机交互力采集模块的固定孔，所述伸缩杆(1001)为实心杆，且非靠近人腿侧设有与调节孔相对应的螺纹孔，所述伸缩杆的顶部深入空腔杆内部。
4.根据权利要求1所述的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，所述脚底板(207)包括底板(1201)、足前固定装置(1202)、足中固定装置(1203)、足后固定装置(1204)、踝关节连杆(1103)、传感器槽(1205)和传感器垫片(1206)，所述传感器槽用于放置足底压力信息采集模块的薄膜式压力传感器，用于采集足底压力信号。
5.根据权利要求1所述的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，所述惯性信息采集模块包括惯性传感器，用于采集穿戴者上下肢的角加速度信息、角速度信息及角度信息。
6.根据权利要求1所述的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，所述人机交互力采集模块包括压电式压力传感器，用于采集人体与外骨骼机器人之间产生的交互力信息。
7.根据权利要求1所述的一种高精度装配的全身可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，所述激光传感器，为激光位移传感器，用于采集外骨骼精确装配中的实时距离，实现精确定位装配控制。
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