CN113876556A - 一种三维激光扫描按摩机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及健康护理、按摩系统技术领域，具体为一种三维激光扫描按摩机器人系统。包括信息处理器、柔性仿人机械手、机械臂、三维激光扫描单元、安全防护单元和HMI单元。其中信息处理器包括图像处理单元、轨迹规划单元、驱动控制单元、决策控制单元。本发明采用三维激光扫描技术精确获取按摩部位和按摩穴位，自主规划按摩路径，对柔性仿人机械手采用高精度的按摩力自适应控制技术实现多种按摩手法，达到对按摩部位既高效又精准的按摩体验。

Description

一种三维激光扫描按摩机器人系统
技术领域
本发明涉及健康护理、按摩系统技术领域，具体为一种三维激光扫描按摩机器人系统。
背景技术
长期的按摩护理是一项繁重的任务。目前常用的按摩设备多采用规律性的局部震动方式取代人工的按摩手法，存在三点不足，一是按摩范围适应性不足，当需要变换按摩位置时，只能手动调整设备位置，不具备自动设定按摩位置的能力；二是按摩功能模式单一，无法达到人工按摩的效果；三是按摩系统通常不具备自学习能力，无法针对长期使用者提供优化的服务体验。为此，本发明提供一种三维激光扫描按摩机器人系统以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供三维激光扫描按摩机器人系统。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种三维激光扫描按摩机器人系统，包括：
三维激光扫描单元，用于对按摩部位进行扫描，获取按摩部位的点云数据并发送给信息处理器；
信息处理器，用于根据三维激光扫描单元扫描得到的按摩部位的点云数据以及HMI单元设定的按摩参数规划并生成运动指令，控制机械手和机械臂运动；
机械手，用于根据信息处理器发出的运动指令运动，并实时通过机械手手指末端的触觉传感器向安全防护单元和信息处理器的决策单元反馈手指接触力数据；
机械臂，用于根据信息处理器发出的运动指令，对机械手进行定位以及通过机械臂末端的力传感器感知机械臂运动时的接触力并反馈给安全防护单元和信息处理器的决策单元；
HMI单元，用于设定按摩参数并发送给信息处理器以及实时显示信息处理器中决策单元的按摩过程数据。
还包括：安全防护单元，用于根据机械手反馈的手指接触力以及和机械臂反馈的机械臂运动时的接触力数据进行异常碰撞检测。
所述异常碰撞检测为：将机械手反馈的手指接触力以及机械臂反馈的机械臂运动时的接触力数据与信息处理器发出的运动指令进行对比，若数据与运动指令不同，则判断为异常碰撞。
所述三维激光扫描单元包括：线性结构激光阵列和CMOS相机，其中，线性结构激光阵列对按摩部位进行扫描，CMOS相机提取激光阵列扫描的按摩部位的点云数据。
所述信息处理器包括：
图像处理单元，用于根据按摩部位的点云数据构建按摩部位轮廓,并获取轮廓的中心坐标矩阵并发送给决策单元；
决策单元，用于将轮廓的中心坐标矩阵转换为机械臂坐标系下和机械手坐标系下的坐标矩阵，并根据HMI单元设定的按摩参数决策出机械臂的运动轨迹和机械手的动作序列并发送给轨迹规划单元；
轨迹规划单元，用于根据机械臂的运动轨迹和机械手的动作序列规划出机械臂和机械手的运动指令，并发送给驱动控制单元；
驱动控制单元，用于根据运动指令控制机械臂和柔性仿人机械手运动。
根据HMI单元设定的按摩参数决策出机械臂的运动轨迹和机械手的动作序列的过程为：决策单元根据图像处理单元发送的按摩部位轮廓确定按摩区域，得到机械臂的运动轨迹，并通过机械臂的关节姿态对机械臂的运动轨迹进行规划；机械手根据包括按摩手法、按摩力量、按摩时间在内的按摩参数对机械手各手指关节的运动轨迹进行规划，得到机械手的动作序列。
根据机械臂的运动轨迹和机械手的动作序列规划出机械臂和机械手的运动指令的过程为：轨迹规划单元根据机械臂的运动轨迹的坐标点矩阵，得到机械臂各关节所对应的角度值和速度值，驱动控制单元根据机械臂各关节所对应的角度值和速度值，得到机械臂的运动指令；驱动控制单元根据机械手的运动序列，得到机械手的运动指令。
所述按摩参数指操作者设定和调节的数据，包括工作模式、功能设定和操作者信息；其中，工作模式包括：体验模式、调试模式和按摩模式；功能设定包括：按摩部位设定、按摩时间设定，按摩强度设定。
所述按摩过程数据包括：机械臂各关节电机电流数据、角度数据和六维力实际测量数据。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.采用三维激光扫描技术，快速获取按摩区域点云数据，重建表面特征，识别轮廓和穴位，自动生成按摩轨迹，有效提升了按摩系统的自动化程度，扩宽了按摩系统的操作范围，降低了系统操作复杂性；
2.采用柔性多自由度仿人机械手，具有“推、拿、提、捏、柔”等多种按摩手法设定，具有身体及四肢穴位的不同部位定制化的按摩模式选择功能，达到了专业级的按摩水平；
3.系统具有按摩知识库，针对不同体质人群和按摩护理要求，提供优化的按摩方案；
4.针对长期使用者，系统提供自学习模式，根据按摩历史数据自动优化按摩手法和参数，具有改善按摩服务体验的功能。
附图说明
图1为本发明的三维激光扫描按摩机器人系统结构框图；
图2为信息处理器结构单元图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种三维激光扫描按摩机器人系统，包括信息处理器、柔性仿人机械手、机械臂、三维激光扫描单元、安全防护单元和HMI单元。其中信息处理器包括图像处理单元、轨迹规划单元、驱动控制单元、决策控制单元。
所述信息处理器的图像处理单元根据三维激光扫描单元对人体按摩部位进行扫描，获取按摩部位点云数据，采用ICP算法重建表面轮廓图并提取穴位。决策控制单元根据HMI设定按摩手法及力量等参数，自适应决策出按摩轨迹并规划动作序列。轨迹规划单元根据决策结果求解机械臂及仿人机械手各关节运动指令。驱动控制单元发出指令驱动机械臂至指定位置，驱动仿人机械手进行按摩，实现高精度力位混合闭环控制。
所述仿人机械手具备多自由度结构，可以按照指令的按摩手法运动，对人体躯干和穴位进行按摩，各手指末端具备触觉传感器，实时反馈手指接触力。
所述机械臂按照规划指令运动，对仿人机械手进行定位运动，并与仿人机械手协作，实现柔顺按摩手法。
所述机械臂末端内置六维力传感器，感知机械臂运动时和按摩操作时的接触力，采用EtherCAT总线实时反馈数据功能。
所述安全防护单元通过机械臂末端六维力和手指接触力的反馈数据进行异常碰撞检测，在异常碰撞发生时，立即对系统进行急停或规避动作，及时有效地保障人身的安全。异常碰撞定义为系统工作时，由于外界物体或者人意外碰触机械臂而引起机械臂电机电流的反馈值和六维力传感器测量值产生较大的跳变或者扰动，测量值的跳变和扰动分别由机械臂的驱动控制单元和末端的六维力传感器所感知，安全防护单元计算电机电流数据、六维力传感器测量的三维力和力矩数据与正常运行时电机电流数据、输出的力和力矩数据的偏差值，对偏差值进行人员伤害风险预测和评估，如果认为会对人员造成伤害，系统采取紧急退让措施，避免外部扰动力施加在按摩人肢体上。
所述三维激光扫描单元包括线性结构激光阵列和CMOS相机。利用结构化线性激光束对区域进行扫描，CMOS相机对图像进行获取，获取高质量的按摩部位点云数据。
所述HMI为提供系统的人机接口，具有参数设定和实时曲线显示功能。接收按摩的指令，设置按摩过程的手法、力量等参数，实时显示按摩过程数据。
其中，按摩过程数据主要为机械臂各关节电机电流数据、角度数据和六维力实际测量数据，用于对机械臂和机械手的姿态进行实时控制，实现对按摩力进行闭环反馈控制，保证力及力矩输出满足对应的按摩强度要求。
图1为本发明三维激光扫描按摩机器人系统结构框图，包括：信息处理器单元，仿人机械手，机械臂，安全防护单元，三维激光扫描单元，HMI单元。其中，三维激光扫描单元、信息处理器、机械臂和柔性仿人机械手相当于人的“眼-脑-臂-手”四部分，三维激光扫描单元负责采集按摩区域数据，为信息处理器的图像处理单元提供信息输入，帮助其生成按摩路径和穴位位置。信息处理器负责控制仿人机械手与机械臂的运动，实现精准的按摩操作。
三维激光扫描单元包括线性结构激光阵列和CMOS相机。利用结构化线性激光束对区域进行扫描，CMOS相机对激光照射图像进行获取，获取高质量的按摩部位点云数据。所采用的激光光源为二类安全光源，经过正交栅格后形成网格状阵列光束，在照射区域表面形成变形的条纹图像，双目CMOS相机对图像进行拍照，获取数据通过千兆以太网传输至信息处理器的图像处理的单元。
机械臂具有6自由度，采用UR机械手实现。机械手包含控制器、机械臂本体和末端六维力传感器。控制器具有开放的程序接口，外部程序调用专用程序指令，实现整体和单关节运动，各关节驱动电机运行参数(角度、电流)可以实时反馈至信息处理器。六维力传感器可以同时测量XYZ三方向的力和力矩值，具有高精度的数据采集功能。利用六维力传感器测量数据和电机反馈电流数据，通过力位混合控制方法可以实现传统掌的“推、拿、柔”等按摩手法。
安全防护单元主要检测异常碰撞和力超程。安全防护单元采用独立处理器，对HMI参数及指令数据、六维力传感器数据、电机电流数据、角度数据、三维扫描数据、轨迹规划数据进行同步检测，通过跟踪观测以上数据曲线，及早检测出异常碰撞和按摩力操程事件，及时采取相应保护措施，避免人机的误伤害。
HMI单元提供系统的人机接口，具有参数设定和实时曲线显示功能。接收按摩的指令，设置按摩过程的手法、力量等参数，实时显示按摩过程数据。配置触摸屏和操作球柄，方便设置、查询和操作机械臂。同时HMI提供USB和以太网接口，方便将按摩数据文件导出。
图2为信息处理器单元结构图，信息处理器1由图像处理单元、轨迹规划单元、驱动控制单元、决策控制单元组成。信息处理器1是本发明系统的核心单元，接收来HMI6参数设置和仿人机械手2与机械臂3的反馈数据，按照安全防护单元4的策略，由决策单元负责智能决策，轨迹规划单元制定执行单元运动路径和各关节自由度的运动指令，驱动单元负责控制各伺服机构完成高精度的力位混合闭环控制。
图像处理单元根据三角结构光算法提取图像中的点云数据和关节点数据。对点云数据首先进行去噪稀疏化处理，采用成熟ICP算法快速重建轮廓并与关节点数据匹配。采用腐蚀算法和极值搜索算法，获取轮廓中心坐标矩阵。
决策控制单元负责将轮廓中心坐标矩阵变换至机械臂按摩坐标系下和机械手按摩坐标系下的坐标矩阵，根据HMI设定的个人基础数据、需求功能及按摩手法指令，调用部位按摩手法知识库数据，知识库数据包含按摩手法对应的机械手各自由度的运动轨迹、运动参数和按摩力参数，自主决策使用哪种坐标系参数和相应按摩手法的具体参数设置(包括按摩力参数、力适应参数、速度和时间)；根据长期使用者的历史数据，自动优化按摩参数和手法，提升按摩舒适性指标，改进按摩者舒适性体验。
其中，按摩参数包括：按摩部位选择、按摩手法选择、按摩时间、按摩力量等。按摩部位包括上肢按摩、下肢按摩、背部按摩等。按摩部位与按摩手法关联，每个部位都有相对应的2-3种按摩手法作为选择。按摩部位确定了机械臂的运动轨迹，决策单元根据图像处理器数据获取按摩起始点坐标和按摩边界坐标，确定按摩区域，规划按摩路径，并求解机械臂各自由度关节姿态，利用五次多项式方法对机械臂运动轨迹进行规划；按摩手法包括“推、拿、提、捏、柔”，各种手法确定了机械手各自由度的运动轨迹和运动序列，运动序列指手指各关节按照时间规划的运动轨迹。
按摩参数主要指操作者可以设定和调节的数据，包括工作模式、功能设定和操作者信息，工作模式分为体验模式、调试模式和按摩模式，默认为按摩模式；功能设定为按摩部位设定、按摩时间设定，按摩强度设定；按摩者信息通过内置数据库进行维护，可以增减按摩者信息、查询按摩人历史使用数据，根据按摩者输入的个人信息，自动建立按摩个人归档数据，用于改善按摩者后续使用体验。
轨迹规划单元根据决策参数，利用机械臂动力学模型和仿人机械手动力学模型解算出各关节伺服电机的运动指令，并验证各关节运动指令有效性，运动指令发送到驱动控制单元。
根据按摩区域所确定的起始点和结束点所规划的机械臂运动轨迹为点坐标矩阵，点坐标矩阵的行向量表示具体的按摩点坐标，包括X、Y、Z三维数据，利用机械臂逆矩阵可以求解机械臂6个关节对应的角度值和速度值，驱动控制单元根据6个关节的角度和速度自动完成机械臂的运动控制，保证机械臂执行运动轨迹所对应的点坐标矩阵。机械手针对每种按摩手法都对应一组手关节动作序列，选定了按摩手法后，驱动控制单元重复调用对应的手关节动作序列完成按摩动作。
驱动控制单元负责执行运动指令，与机械臂控制器通讯，实现高精度的力位闭环控制。
仿人机械手2具有19个自由度，由19个直流电机采用后置驱动方式，减少了按摩手的多余质量，手指关节采用腱传动方式，各指关节独立驱动，依据力位混合控制方法可以实现复杂的按摩手法。每个手指末端集成触觉传感器，可以反馈力的大小和方向，实现传统指的“提、捏、柔”等精细按摩手法。

Claims (9)

1.一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，包括：
三维激光扫描单元，用于对按摩部位进行扫描，获取按摩部位的点云数据并发送给信息处理器；
信息处理器，用于根据三维激光扫描单元扫描得到的按摩部位的点云数据以及HMI单元设定的按摩参数规划并生成运动指令，控制机械手和机械臂运动；
机械手，用于根据信息处理器发出的运动指令运动，并实时通过机械手手指末端的触觉传感器向安全防护单元和信息处理器的决策单元反馈手指接触力数据；
机械臂，用于根据信息处理器发出的运动指令，对机械手进行定位以及通过机械臂末端的力传感器感知机械臂运动时的接触力并反馈给安全防护单元和信息处理器的决策单元；
HMI单元，用于设定按摩参数并发送给信息处理器以及实时显示信息处理器中决策单元的按摩过程数据。
2.根据权利要求1所述的一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，还包括：安全防护单元，用于根据机械手反馈的手指接触力以及和机械臂反馈的机械臂运动时的接触力数据进行异常碰撞检测。
3.根据权利要求2所述的一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，所述异常碰撞检测为：将机械手反馈的手指接触力以及机械臂反馈的机械臂运动时的接触力数据与信息处理器发出的运动指令进行对比，若数据与运动指令不同，则判断为异常碰撞。
4.根据权利要求1所述的一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，所述三维激光扫描单元包括：线性结构激光阵列和CMOS相机，其中，线性结构激光阵列对按摩部位进行扫描，CMOS相机提取激光阵列扫描的按摩部位的点云数据。
5.根据权利要求1所述的一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，所述信息处理器包括：
图像处理单元，用于根据按摩部位的点云数据构建按摩部位轮廓,并获取轮廓的中心坐标矩阵并发送给决策单元；
决策单元，用于将轮廓的中心坐标矩阵转换为机械臂坐标系下和机械手坐标系下的坐标矩阵，并根据HMI单元设定的按摩参数决策出机械臂的运动轨迹和机械手的动作序列并发送给轨迹规划单元；
轨迹规划单元，用于根据机械臂的运动轨迹和机械手的动作序列规划出机械臂和机械手的运动指令，并发送给驱动控制单元；
驱动控制单元，用于根据运动指令控制机械臂和柔性仿人机械手运动。
6.根据权利要求5所述的一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，根据HMI单元设定的按摩参数决策出机械臂的运动轨迹和机械手的动作序列的过程为：决策单元根据图像处理单元发送的按摩部位轮廓确定按摩区域，得到机械臂的运动轨迹，并通过机械臂的关节姿态对机械臂的运动轨迹进行规划；机械手根据包括按摩手法、按摩力量、按摩时间在内的按摩参数对机械手各手指关节的运动轨迹进行规划，得到机械手的动作序列。
7.根据权利要求5所述的一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，根据机械臂的运动轨迹和机械手的动作序列规划出机械臂和机械手的运动指令的过程为：轨迹规划单元根据机械臂的运动轨迹的坐标点矩阵，得到机械臂各关节所对应的角度值和速度值，驱动控制单元根据机械臂各关节所对应的角度值和速度值，得到机械臂的运动指令；驱动控制单元根据机械手的运动序列，得到机械手的运动指令。
8.根据权利要求1所述的一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，所述按摩参数指操作者设定和调节的数据，包括工作模式、功能设定和操作者信息；其中，工作模式包括：体验模式、调试模式和按摩模式；功能设定包括：按摩部位设定、按摩时间设定，按摩强度设定。
9.根据权利要求1所述的一种三维激光扫描按摩机器人系统，其特征在于，所述按摩过程数据包括：机械臂各关节电机电流数据、角度数据和六维力实际测量数据。
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