CN113370272B - 一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人位姿传感领域，尤其涉及一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法，包括多个光电传感单元、数据采集模块和数据处理模块，光电传感单元均包括分别设置在多段连续体机器人的相邻两个关节操作单元的相对面上的反光件和光电敏感元件；反光件用于接收光电敏感元件发出的光并将其反射回光电敏感元件上；当关节操作单元发生转动时，光电敏感元件的响应电信号会发生改变；数据处理模块被配置为：根据响应电信号利用预设函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；根据多个相对转动角度确定多段连续体机器人的运动姿态。本发明克服了现有的监测设备无法安装在具有多段连续结构的机器人的问题。

Description

一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人位姿传感领域，尤其涉及一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法。

背景技术

手功能康复外骨骼辅助脑卒中患者重复进行标准正确的仿生康复训练，有助于改善康复训练效果，但对外骨骼的精确控制提出了很高的要求。外骨骼的位姿监测是进行精确闭环控制的关键技术之一。此外，位姿监测还可以帮助记录患者在康复训练过程中病情，辅助评估康复效果，以便及时调整康复方案，完善康复训练。多段连续结构手功能康复外骨骼，其特点是整体结构小巧，由多个相同规格的零件通过转动副连接而成，可实现连续变形，避免了康复机器人的关节与人体关节严格对中的难题，但是姿态监测时测量点多，而现阶段的位姿监测的解决方案诸如基于计算机视觉的运动跟踪技术、光纤传感、电磁传感和分布式位姿传感等均无法将测量元件安装在所提出的多段连续手指外骨骼。

发明内容

本发明提出一种多段连续体机器人的位姿监测系统及方法，克服现有的监测设备无法安装在具有多段连续机器人的问题。

一方面，本发明提供一种多段连续体机器人的位姿监测系统，包括多个光电传感单元，模数转换模块，数据采集模块，数据处理模块，其中：

所述光电传感单元均包括分别设置在多段连续体机器人的相邻两个关节操作单元的相对面上的反光件和光电敏感元件；其中，所述反光件用于接收光电敏感元件发出的光并将其反射回所述光电敏感元件上；当关节操作单元发生转动时，位于关节操作单元一侧的光电敏感元件的响应电信号会发生变化；

所述模数转换模块用于接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个所述响应电信号进行模/数转换；

所述数据采集模块用于采集转换后的多个响应电信号并将转换后的多个响应电信号发送至数据处理模块；

数据处理模块被配置为：根据转换后的每个响应电信号分别利用预设的标定函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；

根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的位姿。

优选的是，所述光电敏感元件包括发光二极管和光电三极管，所述发光二极管用于连续发出不可见红光，所述光电三极管用于接收反光件反射回的光强，并根据光强的变化来输出响应电信号。

优选的是，还包括外接电阻，所述外接电阻用于保护电路和调节光电传感单元的输入输出特性。

优选的是，所述反光件为漫反射反光件。

优选的是，所述光电传感单元的个数和关节操作单元个数相同。

优选的是，所述光电敏感元件、外接电阻、模数转换模块均是通过表面贴装技术焊接在柔性印制电路板上。

优选的是，所述关节操作单元一侧形成有凹槽，所述光电敏感元件位于所述凹槽内。

另一方面，本发明还提供一种多段连续体机器人的位姿监测方法，包括：

多个光电敏感元件均实时输出响应电信号，其中响应电信号是当关节操作单元发生转动时，位于关节操作单元一侧的光电敏感元件接收到反光件反射回的光后所输出的电信号；

模数转换模块接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个所述响应电信号进行模/数转换；

数据采集模块采集转换后的多个响应电信号并将转换后的多个响应电信号发送至数据处理模块；

数据处理模块根据转换后的每个响应电信号分别利用预设函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；并根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的运动姿态。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的位姿监测系统能够应用在具有体积小、测量点量大的多段连续结构机器人上；采用贴片式光电敏感元件，保证光电传感单元的整体尺寸小，易于安装于小巧的多段连续机器人中；采用柔性印制电路板作为基底材料布置线路，使光电传感单元实现连续变形，在安装到连续机器人上以后，不影响其运动；采用光学信息测量，但无需刻画码盘或者光栅等，能够实现批量机加工，避免了手工加工引入的制造误差，能够保证传感器精度以及可靠性，降低加工成本。

附图说明

图1为多段连续体机器人的示意图；

图2为光电传感单元的安装示意图；

图3为食指近指关节处光电传感单元的测量原理图；

图4为光电传感单元的测量原理图；

图5为光电传感单元的电路图；

图6为实施例1中不包含步进电机电源的确定外接电阻阻值实验装置图；

图7为实施例1中位姿监测系统的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。

参见图1，多段连续体机器人，包括手指驱动机构，手指驱动机构通过魔术贴粘贴在手套模块上，手指驱动机构和直线推杆电机连接，直线推杆电机固定于装载台上，装载台连接在手套模块上，装载台位于患手前臂处；手指驱动机构包括覆盖上述各外骨骼手指的掌指关节端、近指关节端以及远指关节端的外骨骼食指驱动机构、外骨骼中指驱动机构、外骨骼无名指驱动机构、外骨骼小指驱动机构以及外骨骼拇指驱动机构。

外骨骼食指驱动机构、外骨骼中指驱动机构、外骨骼无名指驱动机构、外骨骼小指驱动机构和外骨骼拇指驱动机构均包括弹簧片1以及套在弹簧片1上的多段连续结构，多段连续结构由多个关节操作单元连接而成。由于多段连续结构的可连续形变的特性，当电机做伸出动作时，弹簧片1可以驱动手指外骨骼贴合人手，辅助其进行符合人手正常运动规律的运动。

外骨骼食指驱动机构的结构如图2所示，弹簧片1的一端固定于位于指尖处的关节操作单元上，另一端与直线推杆电机的推杆连接，弹簧片1作为传动零件，一端固定于手指指尖的关节操作单元上，另一端固定在直线电机的输出端。参见图3，以食指近指关节处为例，该段的关节操作单元有6个，包括第一关节操作单元2、第二关节操作单元3、第三关节操作单元4、第四关节操作单元5、第五关节操作单元6、第六关节操作单元7。其中，相邻的关节操作单元绕固定的转动中心转动，例如第四关节操作单元5相对于第三关节操作单元4绕转动中心转轴8转动。其余关节处的关节操作单元的连接方式与转动原理与食指近指关节处的相同，这里不过多赘述。

参见图2、图3，一种多段连续体机器人的位姿监测系统，包括多个光电传感单元9，模数转换模块，数据采集模块，数据处理模块。

多个光电传感单元9依次布置在多段连续体机器人的多个关节操作单元上，其中，单个光电传感单元9用于监测其所在的相邻两个关节操作单元之间的角度变化。光电传感单元9均包括分别设置在相邻两个关节操作单元的相对面上的反光件10和光电敏感元件11；由于反光件10和光电敏感元件11相对设置，反光件10既能接收光电敏感元件11发出的光，还能够将光反射回光电敏感元件11上。光电敏感元件11能够根据接收到的光强的变化来输出不同的响应电信号。

当多段连续体机器人的电机驱动弹簧片1使关节操作单元发生转动时，相邻两个关节操作单元之间的夹角会发生变化，即反光件10和光电敏感元件11之间的距离发生变化，导致位于关节操作单元一侧的光电敏感元件11接收到的光强发生变化，进而输出不同的响应电信号。

模数转换模块用于接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个响应电信号进行模/数转换。

数据采集模块用于采集转换后的多个响应电信号并将多个响应电信号发送至数据处理模块。

数据处理模块被配置为：1、根据转换后的每个响应电信号分别利用预设的标定函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度。标定函数是对传递函数进行转换后得到的反传递函数，其中，传递函数为预先对设置在相邻两个关节操作单元之间上的单个光电传感单元的转动角度和响应电信号进行标定后得到的函数。标定函数的表达式为：

δ_i＝f^-1(E)＝F(E)

式中，δ_i为相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；E为响应电信号。

2、根据多个相对转动角度确定多段连续体机器人的位姿。其中，位姿表达式为：

M＝Aδ，

其中，A为系数矩阵，δ＝[δ₁,…δ_i,…δ_j]，是对应j个光电敏感元件11的响应电信号。

作为本发明一个优选的实施例：参见图4、图5，光电敏感元件11包括发光二极管12和光电三极管13，发光二极管12用于连续发出不可见红光，光电三极管13用于接收反光件10反射回的光，并根据接收的光的强度的变化来输出不同的响应电信号。发光二极管12和光电三极管13集成在小体积的贴片式光电元件中。可以选择市面的成品贴片式光电元件，具有体积小，成本低，相对高的稳定性、高的灵敏度、抗磁/电噪声，以及不需要额外的电子滤波的优点。

作为本发明一个优选的实施例：还包括外接电阻，所述外接电阻用于调节光电传感单元的输入输出特性和保护电路。

作为本发明一个优选的实施例：反光件10为漫反射反光件。

作为本发明一个优选的实施例：光电传感单元9的个数和需要测量转动角度的关节操作单元个数相同。

作为本发明一个优选的实施例：关节操作单元的一侧形成有凹槽，光电敏感元件11固定在凹槽内，不影响关节操作单元的运动。

作为本发明一个优选的实施例：还包括柔性印制电路板，光电敏感元件11外接电阻以及模数转换模块均是通过表面贴装技术焊接在柔性印制电路板上。

一种基于多段连续体机器人的位姿监测系统的监测方法，包括：

S1：多个光电敏感元件11均实时输出响应电信号，其中响应电信号是当关节操作单元发生转动从而引起光电敏感元件11接收的光强发生变化时，位于关节操作单元一侧的光电敏感元件11接收到反光件反射回的光后所输出的电信号；

S2：模数转换模块接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个响应电信号进行模/数转换；

S3：数据采集模块采集转换后的多个响应电信号并将转换后的多个响应电信号发送至数据处理模块；

S4：数据处理模块根据转换后的每个响应电信号分别利用预设函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；并根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的运动姿态。

实施例1：参见图2-7，一种位姿监测系统，用于多段连续体机器人位姿的监测，其安装在多段连续体机器人的关节操作单元上。

系统包括与关节操作单元个数相同的光电传感单元9，AD转换模块14，数据采集模块以及数据处理模块。光电传感单元9用于当多段连续体机器人的电机驱动弹簧片使关节操作单元发生转动时，输出响应电信号。AD转换模块用于对接收到的多个光电传感单元9的响应电信号进行模/数转换，有多个模拟量输入、1个模拟量输出和1个同步串行总线(I2C总线)。数据采集模块用于采集转换后的数字信号并发送至数据处理模块。数据处理模块被配置为：根据转换后的每个响应电信号分别利用预设的标定函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的位姿。

每个光电传感单元9均包括分别设置在相邻两个关节操作单元的相对面上的反光件10和光电敏感元件11。由于反光件10和光电敏感元件11相对设置，光电敏感元件11发出的光可以被反光件10接收并反射回光电敏感元件11上。如图3所示，以食指近指关节处为例，第一关节操作单元2、第二关节操作单元3、第三关节操作单元4、第四关节操作单元5、第五关节操作单元6和第六关节操作单元7在朝向电机的一侧均开设有凹槽。在安装时，将6个光电敏感元件11按顺序分别安装在6个关节操作单元的凹槽内，6个反光件也按顺序安装在相邻关节操作单元靠近光电敏感元件11的一侧，例如第二光电敏感元件安装在第二关节操作单元3的凹槽内，第二反光件安装在第一关节操作单元2靠近第二光电敏感元件的一侧。其余关节处的关节操作单元的连接方式与转动原理与食指近指关节处的相同，这里不过多赘述。当多段连续体机器人的电机驱动弹簧片1使关节操作单元发生转动时，相邻两个关节操作单元的角度会发生变化，由于反光件10和光电敏感元件11分别设置在相邻两个关节操作单元的相对面上，反光件10和光电敏感元件11之间的距离也会随之变化，光电敏感元件11接收的光的强度也会发生改变，进而光电敏感元件11输出的响应电信号也发生变化。

如图4所示，光电敏感元件11包括发光二极管12、光电三极管13。发光二极管12发出的光经过反光件10反射后，光电三极管13接收部分光强，并将反射光强转换为响应电信号。如图3所示，当第四关节操作单元5相对于第三关节操作单元4发生转动时，θ_i发生变化，从而改变光线的入射、反射角度以及光电敏感元件11到反光件10之间的距离l_i，进而调制光电三极管13接收的光强。

如图5和图7所示，外接电阻R₁和R₂用于调节光电传感单元的输入输出特性和保护电路，外接电阻R₁串联在光电敏感元件11的发光二极管12靠近电源的一端，外接电阻R₂串联在光电敏感单元11的光电三极管13的输出端。R₁和R₂的阻值通过实验测量得到。参见图6，外接电阻阻值选定实验装置包括带直线模组滑台的步进电机15、位移引导零件16、光电元件基座17、外接电阻R₁、外接电阻R₂、Arduino MEGA2560开发板18、上位机19，以及电源、步进电机驱动器和连接螺栓元器件。根据图5连接好测量图6中的测量电路，其中电源由ArduinoMEGA2560开发板18中的5V电压提供；敏感元件地线，Arduino地线和步进电机电源地线(未表示)串联；Arduino MEGA2560中的模拟量输入口“A0”作为数据采集模块，将传感技的输出电压采集并传输到上位机19。

利用选定装置进行测试的步骤包括：将反光件10和光电敏感单元11分别贴于位移引导零件16和光电元件基座17的平面上，并由步进电机15驱动，沿直线单元相对于光电敏感单元11做接近/远离运动。根据图5的电路图连接好电路以后，驱动上述带直线模组滑台的步进电机15，使反光件10从紧贴光电敏感单元11的位置开始做远离运动，并达到最远端后折返到初始位置，重复三次，计算反光件10与光电敏感单元11表面之间的距离l与光电敏感单元11的输出电压之间的关系。更换不同阻值的电阻对(R₁和R₂的阻值)重复上述实验。根据上述实验结果，优选出R₁和R₂的阻值作为测量电路电阻。优选标准是选择的电阻对阻值，将反光件10与光电传感单元9表面之间的距离l与光电传感单元9的光电三极管13输出电压之间的关系调制后，能够满足输入输出特性在实际应用中的l_i范围内有较好的线性度和灵敏度。

光电敏感元件11、外接电阻R₁，外接电阻R₂和AD转换模块均通过SMT技术焊接在柔性印制电路板上，焊接电路示意图如图7所示。上述光电元件位置处的柔性印制电路板要能够粘贴于多段连续结构之中，电源线、底线和信号线所处的柔性印制电路板位置不影响驱动器的运动状态。

数据处理模块计算多段连续体机器人的运动姿态的具体步骤包括：

S1：获取设置在相邻两个关节操作单元上设置的光电敏感元件11的响应电信号；

S2：根据响应电信号利用反传递函数计算得到相对转动角度；反传递函数是对预先标定好的光电传感单元的转动角度和响应电信号之间的传递函数进行转换后得到的。反传递函数的表达式为：

δ_i＝f^-1(E)＝F(E)

其中，δ_i为相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；E为响应电信号。

S3：获取多个相对转动角度；

S4：根据位姿表达式计算得到多段连续体机器人的运动姿态。位姿表达式为：

M＝Aδ，

其中，A为系数矩阵，δ＝[δ₁,…δ_i,…δ_j]，是对应j个光电敏感元件11的响应电信号。

本申请的位姿监测系统能够应用在具有体积小、测量点量大的多段连续结构机器人上；采用柔性印制电路板作为基底材料布置线路，使光电传感单元实现连续变形，在安装到连续机器人上以后，不影响其运动。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，包括，多个光电传感单元，模数转换模块，数据采集模块，数据处理模块，其中：

所述光电传感单元，均包括分别设置在多段连续体机器人的相邻两个关节操作单元的相对面上的反光件和光电敏感元件；

其中，所述反光件用于接收光电敏感元件发出的光并将其反射回所述光电敏感元件上；当关节操作单元发生转动时，相邻两个关节操作单元的角度会发生变化，由于反光件和光电敏感元件分别设置在相邻两个关节操作单元的相对面上，反光件和光电敏感元件之间的距离也会随之变化，光电敏感元件接收的光的强度也会发生改变，进而光电敏感元件输出的响应电信号也发生变化；

所述模数转换模块用于接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个所述响应电信号进行模/数转换；

所述数据采集模块用于采集转换后的多个响应电信号并将转换后的多个响应电信号发送至数据处理模块；

数据处理模块被配置为：根据转换后的每个响应电信号分别利用预设的标定函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；

根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的位姿。

2.根据权利要求1所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，所述光电敏感元件包括发光二极管和光电三极管，所述发光二极管用于连续发出不可见红光，所述光电三极管用于接收反光件反射回的光强，并根据光强的变化输出不同的响应电信号。

3.根据权利要求2所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，还包括外接电阻，所述外接电阻用于保护电路和调节光电传感单元的输入输出特性。

4.根据权利要求2所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，所述反光件为漫反射反光件。

5.根据权利要求2所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，所述光电传感单元的个数和关节操作单元个数相同。

6.根据权利要求3所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，所述光电敏感元件、外接电阻和模数转换模块均是通过表面贴装技术焊接在柔性印制电路板上。

7.根据权利要求2所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统，其特征在于，所述关节操作单元的一侧形成有凹槽，所述光电敏感元件位于所述凹槽内。

8.一种基于权利要求1-7任一所述的一种多段连续体机器人的位姿监测系统的位姿监测方法，其特征在于，包括：

多个光电敏感元件均实时输出响应电信号，其中，响应电信号是当关节操作单元发生转动时，位于关节操作单元一侧的光电敏感元件接收到反光件反射回的光后所输出的电信号；

当关节操作单元发生转动时，相邻两个关节操作单元的角度会发生变化，由于反光件和光电敏感元件分别设置在相邻两个关节操作单元的相对面上，反光件和光电敏感元件之间的距离也会随之变化，光电敏感元件接收的光的强度也会发生改变，进而光电敏感元件输出的响应电信号也发生变化；

模数转换模块接收多个光电敏感元件的响应电信号并对多个所述响应电信号进行模/数转换；

数据采集模块采集转换后的多个响应电信号并将转换后的多个响应电信号发送至数据处理模块；

数据处理模块根据转换后的每个响应电信号分别利用预设函数计算与其对应的光电传感单元所在的相邻两个关节操作单元之间的相对转动角度；并根据多个所述相对转动角度确定多段连续体机器人的运动姿态。

Images