CN113084800B - 一种可穿戴全关节随动遥控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可穿戴全关节随动遥控装置，属于机器人远程控制领域，解决了现有技术中控制精度差、执行动作类型少的问题。本发明的可穿戴全关节随动遥控装置设置两个模拟手臂，模拟手臂具有七个自由度，且模拟上臂和模拟小臂均为多级连接杆结构，能够适应不同操作人员的体型，模拟手臂能够复制人体动作并在各个关节处设置角度传感器采集动作信息，进而对机器人进行控制。本发明实现了对机器人的机械臂进行同步控制，使其能够复制人体动作，实现了同步操控，使机器人能够复制人体动作。

Description

一种可穿戴全关节随动遥控装置

技术领域

本发明涉及机器人远程控制技术领域，尤其涉及一种可穿戴全关节随动遥控装置。

背景技术

遥操作拟人机器人是众多机器人门类中独特的一种，该类机器人采用遥控方式控制远程机器人，使机器人完成各种要求动作，执行特定操作。相对于传统机器人技术，该类机器人在飞行器在轨服务、火工品危机处置、反恐处突等方面具有无可比拟的优势。

常规遥控操作采用手持遥控设备实现，这种遥控技术需要操作者经过大量专业训练，操控灵活性及操控效率较低，可控制动作数目有限，机器人很难完成与人相似的复杂动作。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种可穿戴全关节随动遥控装置，用以解决现有的手持遥控技术存在需要操作者经过大量专业训练、操控灵活性及操控效率较低、可控制动作数目有限、机器人很难完成与人相似的复杂动作的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种可穿戴全关节随动遥控装置，包括：背板、左侧模拟手臂和右侧模拟手臂；左侧模拟手臂和右侧模拟手臂安装在背板上，且左侧模拟手臂和右侧模拟手臂之间的间距可调节；左侧模拟手臂和右侧模拟手臂结构相同，且均具有七个转动自由度；左侧模拟手臂和右侧模拟手臂能够复制人体手臂动作；随动遥控装置采集到的动作信息通过计算机处理后用于控制机器人执行与人体相同的动作。

进一步地，还包括末端执行机构。

进一步地，右侧模拟手臂包括：肩板、肩部关节、模拟上臂、肘部关节、模拟小臂和腕部关节。

进一步地，肩板安装于背板上。

进一步地，模拟上臂和模拟小臂均为长度可调结构。

进一步地，模拟上臂和模拟小臂均为多级连接杆结构，且相邻连接杆之间能够相对滑移。

进一步地，肩部关节包括：第一关节和第二关节；第一关节能够模拟肩摆动；第二关节能够模拟肩外展。

进一步地，肘部关节包括：第三关节和第四关节；第三关节能够模拟上臂扭转动作；第四关节能够模拟小臂相对于上臂摆动。

进一步地，腕部关节包括：第五关节、第六关节和第七关节；第五关节能够模拟小臂扭转动作；第六关节能够模拟腕部上下摆动；第七关节能够模拟腕部左右摆动。

进一步地，随动遥控装置的各个关节处均设置角度传感器，用于监测关节的角度位移。

与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有如下有益效果之一：

1.本发明能够克服现有技术不足，提供一种可穿戴全关节随动遥操作设备，通过对操作人员各关节运动学参数实时检测，结合视觉反馈及音频交互信息，达到人对机器人的远程精确控制。

2.本发明的模拟手臂的上臂和小臂均为多节连接杆，长度可以调节，能够适用于不同臂长的操作人员，且提高了实际操作过程中的随动遥控装置的动作柔顺性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的可穿戴式关节随动遥控装置使用状态图一；

图2为本发明的可穿戴式关节随动遥控装置使用状态图二；

图3为本发明的可穿戴式关节随动遥控装置结构示意图；

图4为遥控手臂结构示意图；

图5为卡合结构示意图；

图6为限位结构示意图一；

图7为限位结构示意图二；

图8为限位结构示意图三；

图9为执行机器人。

附图标记：

1-操作台；2-滚轮；3-座椅；4-显示屏；5-随动遥控装置；6-第一摇杆；7-第二摇杆；8-第一开关；9-第二开关；10-第三开关；

51-背板；511-齿条；521-卡合部；52-肩板；53-模拟上臂；54-模拟小臂；55-手套；56-肩部关节；57-肘部关节；58-腕部关节；59-限位结构。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”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，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

本发明的一个具体实施例，公开了一种可穿戴全关节随动遥控装置，如图1-9所示，用于采集人体的动作信息，进而控制机器人能够复制执行人体动作，具体的，本发明的可穿戴全关节随动遥控装置包括：背板、左侧模拟手臂和右侧模拟手臂；其中，背板、左侧模拟手臂和右侧模拟手臂分别与人体背部、左臂和右臂贴合，能够同步人体动作。并且，隧道遥控装置能够将采集的动作信息传递给机器人同步执行人体动作，执行机器人如图9所示。

进一步地，左侧模拟手臂和右侧模拟手臂的结构相同，且对称安装在背板51上。

进一步地，如图5所示，左侧模拟手臂和右侧模拟手臂通过卡合结构安装在背板51上；具体地，卡合结构为背板51的两端设置的齿条511和手臂上的肩板52设置卡合部521；通过卡合部521上的凸起结构与齿条511的齿槽配合将左侧模拟手臂、右侧模拟手臂安装到背板51上，且能够相对于背板51左右滑动。

进一步地，以右侧模拟手臂为例介绍模拟手臂的结构；右侧模拟手臂包括：肩板52、模拟上臂53、模拟小臂54、手套55、肩部关节56、肘部关节57和腕部关节58。随动操控装置的模拟上臂53、模拟小臂54的长度可调节，且随动操控装置的肩宽可调，即左侧模拟手臂和右侧模拟手臂的距离可根据不同人体的体型实时调整。

其中，肩板52安装在背板51上，将右侧模拟手臂固定在肩板上。

模拟上臂53和模拟小臂54均为可伸缩结构，能够调节长度，适应不同操作人员的不同手臂长度。

模拟上臂53和模拟小臂54均为多级连接杆结构；具体的，多级连接杆为多级伸缩杆，实现模拟上臂53和模拟小臂54的伸缩；通过相互套设的多级连接杆的相对位移调节连接杆长度。

本实施例中，模拟上臂53为四级连接杆，模拟小臂54为三级连接杆。

其中，模拟上臂53包括：第一杆、第二杆、第三杆和第四杆，第一杆、第二杆、第三杆和第四杆依次套设连接，且能够相对滑移，如图4所示。

进一步地，模拟上臂53和肩板52之间通过肩部关节56连接，肩部关节能够模拟人体肩部运动。

肩部关节56具有两个转动自由度，具体的，肩部关节56包括：第一关节和第二关节；其中，第一关节、第二关节均为转动关节/转动副，且相互垂直。

肩部关节56通过设置两个相互垂直的第一关节和第二关节，模拟人体的手臂前后摆动和手臂向外展开动作。第一关节和第二关节为两个依次串联的转动轴，使模拟上臂53能够相对于肩板52具有两个转动自由度。

具体的，第一关节为肩摆动关节，且第一关节的转动轴(旋转轴)平行于背板51方向且垂直于模拟上臂53；在初始姿态下，第一关节的轴线方向为图3所示的Y轴方向，且第一关节能够模拟人体前后摆臂时的肩部运动。

第二关节为肩外展关节，且第二关节的转动轴的方向垂直于背板51和模拟上臂53；在初始姿态下，第二关节的轴线方向为图3所示的X轴方向，且第二关节能够模拟肩外展动作，即手臂整体向外展开动作时肩部的运动状态。

进一步地，模拟上臂53和模拟小臂54通过肘部关节57连接，肘部关节57具有两个转动自由度，能够模拟人体上臂扭转和小臂摆动的运动状态。

肘部关节57包括：第三关节和第四关节；第三关节和第四关节均为转动副，第三关节和第四关节串联且相互垂直，肘部关节57能够模拟人类上臂扭转和小臂摆动的动作状态。

第三关节为上臂扭转关节，第三关节与模拟上臂53固定连接，且第三关节的转动轴的方向沿模拟上臂53的多级连接杆方向，或者说，第三关节的轴线平行于模拟上臂53，在初始姿态下，第三关节的轴线方向为图3所示的Z轴方向。且第三关节能够模拟人体上臂沿自身轴线的旋转动作。

第四关节为小臂摆动关节，第四关节的旋转轴的方向垂直于模拟上臂53和模拟小臂54，模拟小臂54和模拟上臂53能够以第四关节为转动轴旋转；在初始姿态下，第四关节的轴线方向为图3所示的Y轴方向，第四关节能够模拟人体上臂和小臂相对偏转时人体肘部的动作。

进一步地，腕部关节58包括：第五关节、第六关节和第七关节；第五关节、第六关节和第七关节均为转动副，第五关节与模拟小臂54的连接杆固定连接，且第五关节、第六关节和第七关节串联且转动轴线相互垂直，腕部关节58能够模拟人体腕部动作状态和小臂扭转动作。

第五关节为小臂扭转关节，第五关节的旋转轴的方向沿模拟小臂54的三级连接杆方向，第五关节的轴线平行于模拟小臂54；在初始姿态下，第五关节的轴线方向为图3所示的X轴方向，第五关节能够模拟人体小臂沿自身轴线方向旋转时人体肘部的运动状态。

第六关节为腕上下摆动关节，第六关节的转动轴的方向垂直于模拟小臂54的轴线方向；在初始姿态下，第六关节的方向为图3中的Y轴方向，第六关节能够模拟人体手部相对于小臂上下偏转运动时人体腕部的动作状态。

第七关节为腕左右摆动关节，第七关节的转动轴的方向垂直于模拟小臂54的轴线方向；在初始姿态下，第七关节的方向为图3中的Z轴方向，第七关节能够模拟人体手部相对于小臂左右偏转运动时人体腕部的动作状态。

值得注意的是，本实施例中，即大臂扭转动作时，由于大臂沿自身轴线的扭转不容易监测到，将大臂扭转关节即第三关节设置在肘部，通过检测模拟小臂54与模拟大臂53的相对位置来监测大臂扭转动作；同理将小臂扭转关节即第五关节设置在了腕部。大臂扭转关节和小臂扭转关节的位置与人体动作时的自由度位置不同，其目的是为了更准确的检测到人体动作。

进一步地，本实施例中在第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节和第七关节处均设置角度传感器，角度传感器用于检测各个关节的偏转角度，并将角度信息传递给计算机进行处理后再传递给执行机器人，使执行机器人能够复制人体动作。具体地，角度传感器为霍尔角度传感器，与普通电阻传感器相比，抗电磁干扰性更强，精度更高。

也就是说，随动操控装置包含与人体契合的两条模拟手臂，其中单臂包含7个自由度，分别能够模拟肩摆动、肩外展、上臂扭转、小臂摆动、小臂扭转、腕上下摆动、腕水平摆动，使随动操控装置能够复制人体动作并将动作信息通过角度传感器进行采集，并通过通信接收设备和天线发送至机器人执行同样动作。

进一步地，随动操控装置的每一个关节处均设有物理限位结构，防止过度旋转结构损坏。

具体地，限位结构59为设置在转动副(关节)一侧的止挡结构与设置在转动副另一侧的凸出部；止挡结构和凸出部分别设置在转动关节的相对转动的两个部件上；转动副两侧零件相对转动时，凸出部会受到止挡结构的限制，进而阻碍转动副的过度偏转，能够限制各个关节的运动范围。

进一步地，止挡结构为限位槽，限位槽为弧形槽，如图6所示，凸出部设置在弧形槽中，转动副运动时，弧形槽能够限制凸出部的运动范围，进而限制关节的过度运动，弧形槽的角度范围即为转动副的运动范围。

进一步地，止挡结构为两个螺钉，如图7所示，通过螺钉限制凸出部的转动范围，进而限制关节的运动范围。

进一步地，止挡结构为凸环，如图8所示，通过凸环限制关节另一侧的凸出部的运动角度，进而限制关节的运动范围。

本发明的限位机构不限于上述三种结构形式，其他类型的物理结构进行转动关节的限位也属于本发明同样的技术构思，落入本发明的保护范围。

如表1所示，为本发明的各个关节的转动角度范围，0°为初始姿态时各个关节的位置状态。

表1：不同关节对应的运动范围

进一步地，模拟手臂的末端安装手套，手套与人体手部配合，能够监测人的施力大小或者手部动作，进而控制执行机器人。随动操控装置可换装末端操控机构，通过更换不同类型手套，对应的机器人更换不同的末端执行机构，可实现不同功能。

进一步地，本发明的随动遥控装置5还包括：显示屏4和/或VR眼镜，显示屏和/或VR眼镜能够接收并向操作人员显示执行机器人工作现场的视频信息。

具体地，当执行机器人执行大幅度动作或者行进、弯腰、转向(大幅度动作)时，通过操纵杆对执行机器人进行控制，此时操作人员通过显示屏4观察现场情况。当执行机器人执行手部动作或微小手臂动作(精细动作/小幅度动作)时，需要精确观察动作过程以便操作人员给出准确的动作指令，同时为了提高临场沉浸效果，此时，采用VR眼镜观察执行机器人工作现场的状态。

值得注意的是，本实施例中的大幅度动作和小幅度动作为相对概念，不明确区分动作类型，本发明的随动遥控装置工作时，操作人员可根据需要选择观察显示屏4或者佩戴VR眼镜来获取现场信息。

进一步地，本发明的可穿戴全关节随动遥控装置还设置有多个固定带，固定带用于将人体与可穿戴全关节随动遥控装置固定。

固定带采用弹性绑带或者可调式齿条卡带，通过固定带将人体背部和背板51固定，将人体上臂和模拟上臂53固定，将人体小臂和模拟小臂54固定，使人体与操作设备紧密贴合，操作设备的模拟手臂能够准确跟随人体动作，得到各个关节准确的动作信息。

实施时，本发明通过在关节处的角度传感器使操作设备在模拟并复制人体动作的同时，能够将人体动作转换为角度信息，进而控制执行机器人同步执行人体动作。

本发明的随动遥控装置的具体安装步骤为：

1)肩板52与模拟上臂53通过肩部关节56连接，肩部关节56包括肩摆动关节和肩外展关节；

肩摆动关节(第一关节)与肩板52固定连接，且肩摆动关节(第一关节)与肩外展关节(第二关节)通过螺钉安装在一起；

肩外展关节(第二关节)与模拟上臂53的上部固定连接；

2)模拟上臂53的下部固定安装上臂扭转关节(第三关节)；

上臂扭转关节(第三关节)与小臂摆动关节(第四关节)通过螺钉安装在一起；

小臂摆动关节(第四关节)与模拟小臂54固定连接；

3)模拟小臂54一端连接小臂摆动关节，另一端固定安装小臂扭转关节(第五关节)；

小臂扭转关节(第五关节)与腕上下摆动关节(第六关节)通过螺钉安装在一起，腕上下摆动关节(第六关节)与腕水平摆动关节/腕左右摆动关节(第七关节)通过螺钉安装在一起；第七关节与末端执行器手套55固定连接。

4)肩部关节56和肘部关节57通过模拟上臂53的多级连接杆连接，以适应不同臂长的人体；

5)肘部关节57和腕部关节58通过模拟小臂54的多级连接杆连接，以适应不同臂长的人体；

6)腕水平摆动关节(第七关节)可换装不同末端操控机构，如数据手套，操作手柄等；

7)上述步骤组成左右双臂，并通过螺钉安装在肩板52上；并将左、右模拟手臂通过卡合结构安装到背板51上。

本发明的随动遥控装置安装在操作台1上的座椅3上，如图1、图2所示，使用时，操作人员坐在座椅3上并穿戴本发明的随动遥控装置5，通过观察显示屏4或者VR眼镜中的图像获取现场动态，通过控制第一摇杆6和第二摇杆7控制现场执行机器人的行进、弯腰、转身等大幅度动作。进一步地，操作台1的底部设置脚踩开关：第一开关8、第二开关9和第三开关10；其中，第一开关8为启动开关，用于控制随动遥控装置的启动或关闭；第二开关9为随动开关，用于控制执行机器人跟随操作人员的动作；第三开关10为动作保持开关，用于暂停执行机器人的手臂动作，并保持动作；操作台1的底部设置滚轮2，方便移动。

本发明提供一种移动式随动遥操作台，集成一种可穿戴全关节随动遥控装置、座椅、图像显示、音频双向交互、操控摇杆、脚踏开关、工业键盘、通信接收设备及天线，获取机器人周围环境信息，通过一种可穿戴全关节随动遥操作装置对操作人员各关节运动学参数实时检测，达到人对机器人的远程控制。

与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：

本发明的可穿戴全关节随动遥控装置，通过采集操作端工作人员的关节动作参数，结合机器人端视频监控系统，音频交互系统来远程控制机器人，使机器人完成和操作端人员完全一致的动作，从而使机器人实现对实际环境的任务的精确操作，解决了常见工业机器人只能按照规定动作运行的缺陷，因此可以遂行复杂任务，使其在危险环境下完成人类可以完成的同样任务，极大延伸了人类的能力范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可穿戴全关节随动遥控装置，其特征在于，包括：背板(51)、左侧模拟手臂和右侧模拟手臂；所述左侧模拟手臂和右侧模拟手臂安装在所述背板(51)上，且所述左侧模拟手臂和右侧模拟手臂之间的间距可调节；所述左侧模拟手臂和右侧模拟手臂结构相同，且均具有七个转动自由度；左侧模拟手臂和右侧模拟手臂能够复制人体手臂动作；所述随动遥控装置采集到的动作信息通过计算机处理后用于控制机器人执行与人体相同的动作；

所述右侧模拟手臂包括：肩板(52)、肩部关节(56)、模拟上臂(53)、肘部关节(57)、模拟小臂(54)和腕部关节(58)；

模拟上臂(53)包括：第一杆、第二杆、第三杆和第四杆，第一杆、第二杆、第三杆和第四杆依次套设连接，且能够相对滑移；

所述模拟上臂(53)和模拟小臂(54)均为长度可调结构；

所述模拟上臂(53)和模拟小臂(54)均为多级连接杆结构，且相邻连接杆之间能够相对滑移；

左侧模拟手臂和右侧模拟手臂通过卡合结构安装在背板(51)上；具体地，卡合结构为背板(51)的两端设置的齿条(511)和手臂上的肩板(52)设置卡合部(521)；通过卡合部(521)上的凸起结构与齿条(511)的齿槽配合将左侧模拟手臂、右侧模拟手臂安装到背板(51)上，且能够相对于背板(51)左右滑动；

随动操控装置的每一个关节处均设有限位结构，防止过度旋转结构损坏；

具体地，限位结构(59)为设置在关节一侧的止挡结构与设置在另一侧的凸出部；止挡结构和凸出部分别设置在转动关节的相对转动的两个部件上；转动副两侧零件相对转动时，凸出部会受到止挡结构的限制，进而阻碍转动副的过度偏转。

2.根据权利要求1所述的可穿戴全关节随动遥控装置，其特征在于，还包括末端执行机构。

3.根据权利要求2所述的可穿戴全关节随动遥控装置，其特征在于，所述肩板(52)安装于所述背板(51)上。

4.根据权利要求3所述的可穿戴全关节随动遥控装置，其特征在于，所述肩部关节(56)包括：第一关节和第二关节；所述第一关节能够模拟肩摆动；所述第二关节能够模拟肩外展。

5.根据权利要求3所述的可穿戴全关节随动遥控装置，其特征在于，所述肘部关节(57)包括：第三关节和第四关节；所述第三关节能够模拟上臂扭转动作；所述第四关节能够模拟小臂相对于上臂摆动。

6.根据权利要求5所述的可穿戴全关节随动遥控装置，其特征在于，所述腕部关节(58)包括：第五关节、第六关节和第七关节；所述第五关节能够模拟小臂扭转动作；所述第六关节能够模拟腕部上下摆动；所述第七关节能够模拟腕部左右摆动。

7.根据权利要求4-6任一项所述的可穿戴全关节随动遥控装置，其特征在于，所述随动遥控装置的各个关节处均设置角度传感器，用于监测关节的角度位移。

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