CN114918947A - 一种穿戴式人机交互机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式人机交互机器人系统，包括一个柔性连续体机器人，柔性连续体机器人包括柔性连续体、摄像语音装置和舵机，柔性连续体包括若干个弯转构节，若干个弯转构节相互嵌套连接形成一条弯转构节链，摄像语音装置集成有摄像头和麦克风，舵机的输出轴上设置有线轮，牵引线缠绕在线轮上，牵引线的端头穿设并系在柔性连续体上，由舵机通过控制牵引线收线或放线从而调节弯转构节链的弯曲程度，实现对柔性连续体的姿态和位置控制。本发明公开的一种穿戴式人机交互机器人系统，轻量、可穿戴、可升降，具有驱动少、质量轻、能耗低、尺寸结构紧凑等优点，可穿戴在人体上应用于人机交互场景，包括穿戴者与机器人的交互、机器人与第三者的交互以及三方之间的交互等。

Description

一种穿戴式人机交互机器人系统

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，具体涉及一种穿戴式人机交互机器人系统。

背景技术

连续体机器人的驱动装置后置在底座上，并通过钢丝或绳子等柔性绳丝进行传动，具有惯量小、形状细长、运动灵活等特点，常被应用于管道探测、发动机检修等运动空间受限的场景。

连续体机器人的关节为欠驱动关节，具有较多自由度，易于呈现平滑、连续、优美的动作，动作灵活友好，因而连续体机器人很适合应用于人机交互场景。然而现有连续体机器人的驱动多、质量大、整体尺寸大，不易集成，不满足人机交互场景的应用需求，导致目前市场上的连续体机器人还不能穿戴在人体上并与人体进行人工交互。

发明内容

本发明的目的在于提供一种穿戴式人机交互机器人系统，用以解决目前市场上的连续体机器人还不能穿戴在人体上并与人体进行人工交互的问题。

本发明提供一种穿戴式人机交互机器人系统，包括一个柔性连续体机器人，所述柔性连续体机器人包括：

柔性连续体，包括头端节座、若干个弯转构节、尾端节座和至少两根牵引线，若干个所述弯转构节相互嵌套连接形成一条弯转构节链，所述头端节座和所述尾端节座分别固定于所述弯转构节链的两端，牵引线在若干个弯转构节的前后左右依次穿梭，将所述弯转构节链的所有弯转构节系在一起；

摄像语音装置，摄像语音装置集成有摄像头和麦克风，设置于柔性连续体的头端节座上，用以实现人机之间的信息交互；

至少两个舵机，舵机的输出轴上设置有线轮，至少两根牵引线缠绕在线轮上，且牵引线的端头依次穿设并系在所述弯转构节链的所有的弯转构节上，舵机通过控制牵引线收线或放线从而调节所述弯转构节链前后左右四个方向的弯曲程度。

优选地，每个所述弯转构节包括两个连接构节部、一个中间构节部和六根引线轴，每个连接构节部上部的前后两端分别向上凸起且于凸起最高处设置有一对前后方向的连接孔，每个连接构节部下部的左右两端分别向下凸起且于凸起最低处设置有一对左右方向的连接孔，一对前后方向的连接孔与一对左右方向的连接孔的中心线在空间上相互垂直；每个连接构节部上部的一对前后方向的连接孔之间形成上圆弧过度区，每个连接构节部下部的一对左右方向的连接孔之间形成下圆弧过度区；所述中间构节部上部的前后两端分别向上凸起形成前扇板和后扇板，所述中间构节部的前扇板和后扇板的外端端面设置为弧面，且所述中间构节部的前扇板和后扇板的外端的弧面与位于上方的连接构节部的下圆弧过度区相互契合；所述中间构节部下部的左右两端分别向下凸起形成左扇板和右扇板，所述中间构节部的左扇板和右扇板的外端端面设置为弧面，且所述中间构节部的左扇板和右扇板的外端的弧面与位于下方的连接构节部的上圆弧过度区相互契合；所述中间构节部的左右两侧面分别向内设有左连接孔和右连接孔、前后两侧面分别向内设有前连接孔和后连接孔，左连接孔、右连接孔、前连接孔和后连接孔位于同一水平面上，且左连接孔与右连接孔位于同一直线上，前连接孔和后连接孔位于同一直线上，左连接孔与右连接孔所处的直线与前连接孔和后连接孔所处的直线相互垂直；每个中间构节部的左连接孔、右连接孔、前连接孔和后连接孔分别配置有一根引线轴；两个连接构节部分别设置中间构节部的上下两端组成一个弯转构节，其中，中间构节部的左连接孔和右连接孔分别与位于上方的连接构节部的一对左右方向的连接孔通过插设引线轴枢接，中间构节部的前连接孔和后连接孔分别与位于下方的连接构节部的一对前后方向的连接孔通过插设引线轴枢接，从而将两个连接构节部和一个中间构节部枢接在一起形成一个所述弯转构节；相邻两个所述弯转构节之间通过一个中间构节部枢接并相互嵌套连在一起，其中，上方的弯转构节的位于下方的连接构节部的一对左右方向的连接孔与中间构节部的左连接孔、右连接孔分别通过插设一根引线轴枢接，下方的弯转构节的位于上方的连接构节部的一对前后方向的连接孔与中间构节部的前连接孔和后连接孔分别通过插设一根引线轴枢接，且位于该弯转构节下方的连接构节部的下圆弧过度区与相邻弯转构节的中间构节部的前扇板和后扇板外端的弧面相互嵌套，将该弯转构节与其下方相邻的弯转构节连在一起；若干个所述弯转构节的上端和下端依次通过枢接并嵌套连接形成一条弯转构节链。

进一步地，所述柔性连续体包括四根牵引线，所述左连接孔、所述右连接孔、所述前连接孔和所述后连接孔的引线轴以及相邻所述弯转构节之间的中间构节部的引线轴的外端设置有穿线孔；每个连接构节部的一对前后方向的连接孔与一对左右方向的连接孔之间的前、后、左、右四侧分别设置有圆弧轨道槽；两根牵引线分别穿过连接构节部的一对左右方向的连接孔中的引线轴的穿线孔，再分别穿过该连接构节部的左侧和右侧的圆弧轨道槽，最后分别穿过所述中间构节部的左连接孔、右连接孔内的引线轴的穿线孔，将同一个弯转构节内的位于上方的连接构节部和中间构节部系在一起；相邻弯转构节的中间构节部的左连接孔和右连接孔内的引线轴与连接构节部的一对左右方向的连接孔的引线轴交替排列，分别形成引线轴左列和引线轴右列，这两根牵引线继续在相邻两个弯转构节之间的中间构节部的左连接孔、右连接孔、连接构节部的左侧和右侧的圆弧轨道槽以及连接构节部的一对左右方向的连接孔的引线轴的穿线孔分别交替穿梭，将相邻弯转构节的引线轴左列和引线轴右列系在一起；同理，另外两根牵引线分别穿过连接构节部的一对前后方向的连接孔中的引线轴的穿线孔，再分别穿过该连接构节部的前侧和后侧的圆弧轨道槽，最后分别穿过中间构节部的前连接孔和后连接孔内的引线轴的穿线孔，将同一个弯转构节内的位于下方的连接构节部和中间构节部系在一起；相邻弯转构节的中间构节部的前连接孔和后连接孔内的引线轴与连接构节部的一对前后方向的连接孔的引线轴交替排列，分别形成引线轴前列和引线轴后列，这两根牵引线继续在相邻两个弯转构节之间的中间构节部的前连接孔和后连接孔、连接构节部的前侧和后侧的圆弧轨道槽以及连接构节部的一对前后方向的连接孔的引线轴的穿线孔分别交替穿梭，将相邻弯转构节的引线轴前列和引线轴后列系在一起；若干个所述弯转构节的引线轴通过四根牵引线分别从引线轴左列、引线轴右列、引线轴前列和引线轴后列四个方向的引线轴的穿线孔依次穿梭，将所述弯转构节链的所有弯转构节系在一起。

进一步地，控制所述弯转构节链的引线轴前列和引线轴后列的两根牵引线系在一起合二为一、控制所述弯转构节链的引线轴左列和引线轴右列的两根牵引线系在一起合二为一，由此将所述柔性连续体中牵引若干个弯转构节运动的四根牵引线变成两根牵引线。

优选地，所述柔性连续体机器人还包括第一舵机组、第二舵机组和固定架，所述固定架为矩形框架，包括八根立柱、一块底板、一块顶板和一块中间板，底板、中间板和顶板自下而上依次平行设置将固定架分为上下两层，每层之间设置四根相互平行立柱支撑，将矩形框架一分为二形成上框架部和下框架部；所述第一舵机组和所述第二舵机组内置有舵机，所述第一舵机组和所述第二舵机组分别设置于上框架部和下框架部内；所述柔性连续体的尾端节座设置于所述固定架的顶板上。

优选地，所述柔性连续体机器人还包括四根牵引线，所述第一舵机组包括第一舵机和第二舵机，所述第二舵机组包括第三舵机和第四舵机，所述第一舵机、所述第二舵机、所述第三舵机和所述第四舵机的输出轴上均设置有线轮，所述弯转构节链分为上部区和下部区两部分，其中两根牵引线的两个端头穿设弯转构节链的上部区的四根引线轴的穿线孔上，另外两根牵引线的两个端头穿设弯转构节链的下部区的四根引线轴的穿线孔上，且同一牵引线的两个端头分别系在位于同一直线的两根引线轴的穿线孔上。

优选地，还包括一个背包壳和一个升降机构，所述背包壳上部两端分别设置有左肩孔和右肩孔，所述左肩孔和所述右肩孔之间留有横向通道；所述升降机构包括轴承座、电机、主动副、从动副和水平连接杆，所述轴承座固定于所述背包壳内部且位于所述横向通道的中部，所述电机设置于所述轴承座内，且所述电机的输出轴与所述主动副的动力输入端固定连接，所述主动副的动力输出端固定于所述水平连接杆的左端，所述从动副的两端分别与所述轴承座和所述水平连接杆的右端连接，所述主动副和所述从动副相互平行，由此形成平行四连杆机构；所述从动副与所述轴承座的连接处设置有轴承；所述固定架与所述水平连接杆固定连接；电机工作时，电机带动主动副转动，进而带动水平连接杆及固定架沿着所述背包壳内壁边缘圆周运动，实现了柔性连续体的上升或下降，当固定架运动至最左端或最右端时，固定架分别位于左肩孔或右肩孔，柔性连续体能够从左肩孔或右肩孔伸出。

优选地，所述背包壳的背面配置有两条背带，用于人机交互时背在人体后背上。

优选地，还包括可自锁支撑机构，所述可自锁支撑机构包括竖直连接杆、导向块、左固定座和右固定座，其中，所述左固定座和所述右固定座分别固定于所述背包壳内部且位于所述横向通道的两端；所述竖直连接杆固定于水平连接杆的底面，且所述竖直连接杆内设置有滑槽，所述导向块设置于滑槽内，能在滑槽内上下自由滑动；所述左固定座和所述右固定座内均设有伸缩支撑块，伸缩支撑块内设有伸缩头，伸缩头与伸缩支撑块之间设有弹簧，伸缩头能沿着水平方向自由伸缩。

优选地，所述伸缩头用于与导向块接触的一端设置为下斜面，所述导向块用于与伸缩头接触的一端设置为弧面，且弧面朝下，所述水平连接杆朝向伸缩头的端面设置为上斜面，且所述水平连接杆的上斜面与所述伸缩头的下斜面相契合；当电机通过主动副和从动副带动水平连接杆及竖直连接杆转动至所述左固定座或所述右固定座时，所述伸缩头的下斜面与所述导向块的弧面或所述水平连接杆的上斜面相接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开了一种穿戴式人机交互机器人系统，包括柔性连续体、摄像语音装置和舵机，摄像语音装置集成有摄像头和麦克风，舵机的输出轴上设置有线轮，牵引线缠绕在线轮上，牵引线的端头穿设并系在柔性连续体上，由舵机通过控制牵引线收线或放线从而调节弯转构节链的弯曲程度，实现对柔性连续体的姿态和位置控制，以提高摄像语音装置与人之间的信息交互的灵活度。本发明公开的一种穿戴式人机交互机器人系统，轻量、可穿戴、可升降，具有驱动少、质量轻、能耗低、尺寸结构紧凑等优点，可穿戴在人体上应用于人机交互场景，包括穿戴者与机器人的交互、机器人与第三者的交互以及三方之间的交互等。

附图说明

图1为本发明实施例1和实施例2提供的柔性连续体机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的弯转构节的整体三维立体图；

图3为本发明实施例1提供的弯转构节的爆炸图；

图4为本发明实施例1提供的连接构节部的正面视图；

图5为本发明实施例1提供的连接构节部的立体图；

图6为本发明实施例1提供的中间构节部的正面视图；

图7为本发明实施例1提供的中间构节部的立体图；

图8为本发明实施例1和实施例2提供的弯转构节链的横向剖视图；

图9为本发明实施例3提供的穿戴式人机交互机器人系统的背面三维视图；

图10为本发明实施例3提供的穿戴式人机交互机器人系统的背视图；

图11为本发明实施例3提供的穿戴式人机交互机器人系统的内部结构示意图；

图12为本发明实施例3提供的升降机构与可自锁支撑机构的立面图；

图13为本发明实施例3提供的升降机构与可自锁支撑机构的正面视图；

图14为本发明实施例3提供的穿戴式人机交互机器人系统使用状态时的示意图；

图15为本发明实施例3提供的可自锁支撑机构的工作原理图，其中可自锁支撑机构工作状态依次为：(a)低位、(b)支撑位、(c)高1位、(d)高2位、(e)高3位、(f)脱离位。

附图标记说明：1-柔性连续体机器人，2-柔性连续体，11-第一舵机组，12-第二舵机组，13-固定架，14-摄像语音装置，15-牵引线；21-头端节座，22-尾端节座，30-圆弧轨道槽，31-连接构节部，32-中间构节部，33-引线轴，311-前后方向的连接孔，312-左右方向的连接孔，313-上圆弧过度区，314-下圆弧过度区；A-左连接孔，B-右连接孔，C-前连接孔，D-后连接孔；321-前扇板，322-后扇板，323-左扇板，324-右扇板，150-穿线孔；4-背包壳，40-背带，41-左肩孔，42-右肩孔，43-横向通道；50-轴承座，51-电机，521-主动副，522-从动副，523-水平连接杆；61-竖直连接杆，62-导向块，63-左固定座，631-伸缩支撑块，630-伸缩头，64-右固定座。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种穿戴式人机交互机器人系统，为了解决连续体机器人穿戴在人体上并与人体进行人工交互的问题，首先，设计了具有前后左右四个方向自由弯曲的弯转构节链，再通过穿设牵引线对弯转构节链弯曲程度的牵引，来实现对柔性连续体的姿态和位置的控制；然而将弯转构节链分为上部区和下部区两部分，每一部分分别通过两个舵机控制牵引线牵引控制上部区或下部区，共计四个舵机，而不是八个舵机，共同控制牵引线驱动柔性连续体，获得四个自由度，即可实现对柔性连续体的姿态和位置控制，以提高摄像语音装置与人之间的信息交互的灵活度。

实施例1：一种柔性连续体

实施例1提供一种柔性连续体，下面结合附图对其结构进行详细描述。

参考图1，柔性连续体2又称为柔性臂，该柔性连续体2包括头端节座21、若干个弯转构节、尾端节座22和至少两根牵引线15，若干个弯转构节相互嵌套连接形成一条弯转构节链，头端节座21和尾端节座22分别固定于弯转构节链的两端，牵引线15在若干个弯转构节的前后左右依次穿梭，将所述弯转构节链的所有弯转构节系在一起。

具体地，参考图2和图3，每个弯转构节包括两个连接构节部31、一个中间构节部32和六根引线轴33。

参考图4和图5，每个连接构节部31上部的前后两端分别向上凸起且于凸起最高处设置有一对前后方向的连接孔311，每个连接构节部31下部的左右两端分别向下凸起且于凸起最低处设置有一对左右方向的连接孔312，一对前后方向的连接孔311与一对左右方向的连接孔312的中心线在空间上相互垂直。

参考图6和图7，每个连接构节部31上部的一对前后方向的连接孔311之间形成上圆弧过度区313，每个连接构节部31下部的一对左右方向的连接孔312之间形成下圆弧过度区314；中间构节部32上部的前后两端分别向上凸起形成前扇板321和后扇板322，中间构节部32的前扇板321和后扇板322的外端端面设置为弧面，且中间构节部32的前扇板321和后扇板322的外端的弧面与位于上方的连接构节部31的下圆弧过度区314相互契合，中间构节部32下部的左右两端分别向下凸起形成左扇板323和右扇板324；中间构节部32的左扇板323和右扇板324的外端端面设置为弧面，且中间构节部32的左扇板323和右扇板324的外端的弧面与位于下方的连接构节部31的上圆弧过度区313相互契合。

继续参考图2和图3，中间构节部32的左右两侧面分别向内设有左连接孔A和右连接孔B、前后两侧面分别向内设有前连接孔C和后连接孔D，左连接孔A、右连接孔B、前连接孔C和后连接孔D位于同一水平面上，且左连接孔A与右连接孔B位于同一直线上，前连接孔C和后连接孔D位于同一直线上，左连接孔A与右连接孔B所处的直线与前连接孔C和后连接孔D所处的直线相互垂直。

每个中间构节部32的左连接孔A、右连接孔B、前连接孔C和后连接孔D分别配置有一根引线轴33，每根引线轴33的外端设置有穿线孔150，以方便牵引线15穿入引线轴33，如图8所示。

每个连接构节部31的一对前后方向的连接孔311与一对左右方向的连接孔312之间的前、后、左、右四侧分别设置有圆弧轨道槽30，如图2至图5所示。

两个连接构节部31分别设置中间构节部32的上下两端组成一个弯转构节，其中，中间构节部32的左连接孔A和右连接孔B分别与位于上方的连接构节部31的一对左右方向的连接孔312通过插设引线轴33枢接，中间构节部32的前连接孔C和后连接孔D分别与位于下方的连接构节部31的一对前后方向的连接孔311通过插设引线轴33枢接，从而将两个连接构节部31和一个中间构节部32枢接在一起形成一个所述弯转构节；

相邻两个所述弯转构节之间通过一个中间构节部32枢接并相互嵌套连在一起，其中，上方的弯转构节的位于下方的连接构节部31的一对左右方向的连接孔312与中间构节部32的左连接孔A、右连接孔B分别通过插设一根引线轴33枢接，下方的弯转构节的位于上方的连接构节部31的一对前后方向的连接孔311与中间构节部32的前连接孔C和后连接孔D分别通过插设一根引线轴33枢接，且位于该弯转构节下方的连接构节部31的下圆弧过度区314与相邻弯转构节的中间构节部32的前扇板321和后扇板322外端的弧面相互嵌套，将该弯转构节与其下方相邻的弯转构节连在一起；

若干个所述弯转构节的上端和下端依次通过枢接并嵌套连接形成一条弯转构节链。

进一步地，柔性连续体2包括四根牵引线15，两根牵引线15分别穿过连接构节部31的一对左右方向的连接孔312中的引线轴33的穿线孔150，再分别穿过该连接构节部31的左侧和右侧的圆弧轨道槽30，最后分别穿过所述中间构节部32的左连接孔A、右连接孔B内的引线轴(33)的穿线孔(150)，将同一个弯转构节内的位于上方的连接构节部31和中间构节部32系在一起；

相邻弯转构节的中间构节部32的左连接孔A和右连接孔B内的引线轴33与连接构节部31的一对左右方向的连接孔312的引线轴33交替排列，分别形成引线轴左列和引线轴右列，这两根牵引线15继续在相邻两个弯转构节之间的中间构节部32的左连接孔A和右连接孔B、连接构节部31的左侧和右侧的圆弧轨道槽30以及连接构节部31的一对左右方向的连接孔312的引线轴33的穿线孔150分别交替穿梭，将相邻弯转构节的引线轴左列和引线轴右列系在一起；具体地，这两根牵引线15继续穿过相邻两个弯转构节之间的中间构节部32的左连接孔A、右连接孔B内，再分别穿过相邻的弯转构节的位于下方的连接构节部31的一对左右方向的连接孔312的引线轴33的穿线孔150，将该弯转构节与其下方相邻的弯转构节左右两侧系在一起。

同理，另外两根牵引线15分别穿过连接构节部31一对前后方向的连接孔311中的引线轴33的穿线孔150，再分别穿过该连接构节部31的前侧和后侧的圆弧轨道槽30，最后分别穿过中间构节部32的前连接孔C和后连接孔D内的引线轴33的穿线孔(150)，将同一个弯转构节内的位于下方的连接构节部31和中间构节部32系在一起；相邻弯转构节的中间构节部32的前连接孔C和后连接孔D内的引线轴33与连接构节部31的一对前后方向的连接孔311的引线轴33交替排列，分别形成引线轴前列和引线轴后列，这两根牵引线15继续在相邻两个弯转构节之间的中间构节部32的前连接孔C和后连接孔D、连接构节部31的前侧和后侧的圆弧轨道槽30以及连接构节部31的一对前后方向的连接孔311的引线轴33的穿线孔150分别交替穿梭，将相邻弯转构节的引线轴前列和引线轴后列系在一起；具体地，这两根牵引线15继续穿过相邻两个弯转构节之间的中间构节部32的前连接孔C和后连接孔D内，再分别穿过相邻的弯转构节的位于下方的连接构节部31的一对前后方向的连接孔311插设的引线轴33的穿线孔150，将该弯转构节与其下方相邻的弯转构节前后两侧系在一起。

若干个所述弯转构节的引线轴33通过四根牵引线15分别从引线轴左列、引线轴右列、引线轴前列和引线轴后列四个方向的引线轴33的穿线孔150依次穿梭，将所述弯转构节链的所有弯转构节系在一起。

进一步地，控制所述弯转构节链的引线轴前列和引线轴后列的两根牵引线15系在一起合二为一、控制所述弯转构节链的引线轴左列和引线轴右列的两根牵引线15系在一起合二为一，由此将所述柔性连续体2中牵引若干个弯转构节运动的四根牵引线15变成两根牵引线15。

实施例2：一种柔性连续体机器人

实施例2提供一种柔性连续体机器人，包括实施例1的柔性连续体2，下面结合附图对其结构进行详细描述。

继续参考图1，该柔性连续体机器人1还包括第一舵机组11、第二舵机组12、固定架13和摄像语音装置14。

摄像语音装置14包括摄像头、麦克风和旋转座，摄像头和麦克风设置于旋转座上，且摄像头和麦克风能在旋转座上转动，具有两个自由度，摄像语音装置14的旋转座设置于柔性连续体2的头端节座21上，用以实现人机之间的信息交互；

柔性连续体2的尾端节座22设置于固定架13的顶板上；

第一舵机组11和第二舵机组12均包括舵机，舵机的输出轴上设置有线轮，至少两根牵引线15缠绕在线轮上，且牵引线15的端头依次穿设并系在弯转构节链的所有弯转构节上，由舵机通过控制牵引线15收线或放线从而调节弯转构节链前后左右四个方向的弯曲程度，实现对柔性连续体2的姿态和位置控制，以提高摄像语音装置14与人之间的信息交互的灵活度。

固定架13为矩形框架，包括八根立柱、一块底板、一块顶板和一块中间板，其中底板、中间板和顶板自下而上依次平行设置将固定架13分为上下两层，每层之间设置四根相互平行立柱支撑，将矩形框架一分为二形成上框架部和下框架部；

第一舵机组11和第二舵机组12分别设置于上框架部和下框架部内。

具体地，第一舵机组11和第二舵机组12分别包括一个舵机，每个舵机的输出轴上设置有线轮，两根牵引线15的中部缠绕在线轮上，牵引线15的两端分别依次穿设并系在弯转构节链的四列引线轴33的穿线孔150上，其中，同一牵引线15的两个端头分别系在控制左右运动的引线轴左列和引线轴右列或控制前后运动的引线轴前列和引线轴后列的引线轴33的穿线孔150上。

更具体地，第一舵机组11包括第一舵机和第二舵机，第二舵机组12包括第三舵机和第四舵机，第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机的输出轴上设置有线轮，四根牵引线15的中部缠绕在线轮上；弯转构节链分为上部区201和下部区202两部分，其中两根牵引线15的两个端头穿设弯转构节链的上部区201的四列引线轴33的穿线孔150上，另外两根牵引线15的两个端头穿设弯转构节链的下部区202的四列引线轴33的穿线孔150上，如图1所示，且同一牵引线15的两个端头分别系在位于同一列的两根引线轴33的穿线孔150上，如图8所示。

在摄像语音装置14运动过程中，舵机的输出轴旋转，从而控制牵引线15的缠绕长度和放出长度。每个自由度运动过程中，需要保证收线的长度和放线的长度相等，这里可以通过两个舵机分别控制收线的长度和放线的长度。利用一个舵机即可保证收线长度与放线长度相等，可以减少舵机数量。因此，本发明通过四个舵机驱动柔性连续体2的四个自由度，不需要八个舵机，实现对柔性连续体2的姿态和位置控制，以提高摄像语音装置14与人之间的信息交互的灵活度。

实施例3：一种穿戴式人机交互机器人系统

实施例3提供一种穿戴式人机交互机器人系统，包括实施例2的柔性连续体机器人1，下面结合附图对其结构进行详细描述。

参考图9至图11，该穿戴式人机交互机器人系统还包括一个背包壳4、一个升降机构和一个可自锁支撑机构，固定架13设置于升降机构上，升降机构都设置于背包壳4上，可自锁支撑机构设置于升降机构上。其中升降机构能够控制固定架13的升与降，可自锁支撑机构能够使柔性连续体机器人1维持特定高度的特定工作状态自锁停留后工作，当在该特定工作状态下，无需额外提供支持力，不需要消耗额外的电能，降低了穿戴式人机交互机器人系统的能耗。

背包壳4上部两端分别设置有左肩孔41和右肩孔42，用以提供柔性连续体2伸出摄像语音装置14的窗口，而且左肩孔41和右肩孔42之间留有横向通道43。

背包壳4的背面配置有两条背带10，用于人机交互时背在人体后背上。人体通过背包壳4的两条背带10穿戴上该穿戴式人机交互机器人系统，如图14所示。

参考图12和图13，该升降机构为单驱动可自锁的升降机构，包括轴承座50、电机51、主动副521、从动副522和水平连接杆523，

轴承座50固定于背包壳4内部且位于横向通道43的中部，

电机51设置于轴承座50内，且电机51的输出轴与主动副521的动力输入端固定连接，主动副521的动力输出端固定于水平连接杆523的左端，从动副522的两端分别与轴承座50和水平连接杆523的右端连接，主动副521和从动副522相互平行，由此形成平行四连杆机构；

从动副522与轴承座50的连接处设置有轴承；

固定架13与水平连接杆523固定连接；

当电机51启动时，电机51带动主动副521转动，进而带动水平连接杆523及固定架13沿着背包壳4内壁边缘圆周运动，实现了柔性连续体2的上升或下降，当固定架13运动至最左端或最右端时，固定架13分别位于左肩孔41或右肩孔42，柔性连续体2能够从左肩孔41或右肩孔42伸出。

利用平行四连杆机构实现电机51驱动控制柔性连续体2升降，有助于保持稳定性来固定姿态，驱动少，传动简单。

当固定架13停留在高位状态时，电机51需要持续出力克服重力和其它外部载荷，会持续消耗电能。

继续参考图12和图13，可自锁支撑机构包括竖直连接杆61、导向块62、左固定座63和右固定座64，

其中，左固定座63和右固定座64分别固定于背包壳4内部且位于横向通道43的两端；

竖直连接杆61固定于水平连接杆523的底面，且竖直连接杆61内设置有滑槽，导向块62设置于滑槽内，能在滑槽内上下自由滑动；

左固定座63和右固定座64内均设有伸缩支撑块631，伸缩支撑块631内设有伸缩头630，伸缩头630与伸缩支撑块631之间设有弹簧，伸缩头630能沿着水平方向自由伸缩；即当伸缩头630受压时，伸缩头630向内收缩，当外力消失时，伸缩头630伸出。

具体地，伸缩头630用于与导向块62接触的一端设置为下斜面，导向块62用于与伸缩头630接触的一端设置为弧面，弧面朝下，水平连接杆523朝向伸缩头630的端面设置为上斜面，且水平连接杆523的上斜面与伸缩头630的斜面相契合；

当电机51通过主动副521和从动副522带动水平连接杆523及竖直连接杆61转动至左固定座63或右固定座64时，伸缩头630的下斜面与导向块62的弧面或水平连接杆523的上斜面相接触。

在固定架13沿着背包壳4内壁边缘圆周运动，实现柔性连续体2上升或下降的过程中，下面具体根据接触过程详细介绍可解锁支撑机构的工作原理。

首先，参考图15，可自锁支撑机构主要经历的工作状态依次为：a、低位；b、支撑位；c、高1位；d、高2位；e、高3位；f、脱离位。其中，低位指的是水平连接杆523低于伸缩头630且导向块62在竖直连接杆61滑槽内处于最低处的位置；支撑位指的是水平连接杆523的下底面触及伸缩头630的上表面时的位置。高1位、高2位、高3位指的是从支撑位继续上升直至脱落位的过程中的三个状态，均为高位状态，其中，高1位指的是当导向块62的弧面尖端刚刚触及伸缩头630的下斜面尖端时的状态；高2位指的是导向块62的弧面尖端越过伸缩头630的下斜面尖端之后，竖直连接杆61做圆弧运动至最高点前且伸缩头630的下斜面与导向块62的弧面尖端保持接触时的状态；高3位指的是导向块62在竖直连接杆61滑槽内到达最高处且伸缩头630与导向块62的弧面刚要脱落接触时的状态。脱落位指的是水平连接杆523低于伸缩头630且导向块62在竖直连接杆61内滑槽最高处的状态。

可解锁支撑机构的工作原理是：

首先，水平连接杆523从低位逐渐升高，升高过程中伸缩头630受压收缩；

水平连接杆523继续升高，直至伸缩头630从伸缩支撑块631内完全伸出，水平连接杆523的下底面触及伸缩头630的上表面，达到支撑位，此时水平连接杆523可以依靠伸缩头630进行支撑；

此时柔性连续体2可持续保持，即在支撑位时，柔性连续体2呈现动作无需额外提供支持力，不需要消耗额外的电能，降低能耗，提高续航能力；

当柔性连续体2需要继续上升或下降时，需要从支撑位继续上升，后续依次经过高1位、高2位、高3位最后达到脱离位实现支撑脱离。

其中，柔性连续体2从支撑位开始上升到一定高度时到达高1位，此时导向块62与伸缩头630刚刚接触；

水平连接杆523继续上升，伸缩头630会受压缩回，避免与导向块62运动干涉；

当水平连接杆523升高至高2位时，停止上升，开始下降，下降过程中导向块62受力沿竖直连接杆61内的滑槽上升直至其到达滑槽的最高处位置，水平连接杆523达到高3位；

水平连接杆523继续下降，伸缩头630受压缩回，解除下降过程中的运动干涉。

可自锁支撑机构能避免增加额外的电控元件和电气控制，实现高位支撑，降低系统能耗，提高系统续航能力。

实施例4：一种单驱动可自锁的升降方法

实施例4提供一种单驱动可自锁的升降方法，采用实施例3提供的可自锁支撑机构，假设电机51启动前，可自锁支撑机构处于低位，即水平连接杆523低于伸缩头630且导向块62在竖直连接杆61内的滑槽的最低处的位置，该单驱动可自锁的升降方法包括以下步骤：

启动电机51，电机51带动主动副521和从动副522转动，进而带动水平连接杆523及竖直连接杆61做上圆弧运动，水平连接杆523从低位逐渐升高，竖直连接杆61转动至左固定座63或右固定座64，水平连接杆523向上触及左固定座63或右固定座64的伸缩支撑块631的伸缩头630，伸缩头630受压并向内缩回，水平连接杆523越过伸缩支撑块631的伸缩头630，直至水平连接杆523的下底面触及伸缩头630的上表面，即可自锁支撑机构达到支撑位；

水平连接杆523保持上圆弧运动，直至导向块62的弧面尖端刚刚触及伸缩头630的下斜面尖端时，可自锁支撑机构达到高1位，避免伸缩头630与导向块62的运动干涉；

导向块62从高1位继续上升，导向块62越过伸缩头630，直至竖直连接杆61做上圆弧运动直至达到圆弧运动的最高点停止上升，此时伸缩头630的下斜面与导向块62的弧面尖端保持接触，可自锁支撑机构达到高2位；

水平连接杆523做下圆弧运动开始下降，导向块62受力沿竖直连接杆61内的滑槽上升直至其到达滑槽的最高处，同时向块62的弧面逐渐远离伸缩头630，直至伸缩头630与导向块62的弧面刚要脱落接触，可自锁支撑机构达到高3位；

水平连接杆523继续做下圆弧运动，其中导向块62维持在竖直连接杆61内滑槽最高处的状态，直至水平连接杆523低于伸缩头630，解除下降过程中伸缩头630对导向块62的运动干涉，可自锁支撑机构达到脱落位；

水平连接杆523继续做下圆弧运动直至达到圆弧运动的最低点的过程，关停电机51，导向块62在竖直连接杆61内滑槽最高处开始下滑，直至导向块62在竖直连接杆61滑槽内滑至最低处，重新回到可自锁支撑机构的低位。

其中，当可自锁支撑机构达到支撑位，若关停电机51，水平连接杆523依靠伸缩头630进行支撑，此时柔性连续体2在支撑位停留时，无需额外提供动力，不需要消耗额外的电能，降低了能耗，提高续航能力，避免增加额外的电控元件和电气控制，。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，包括一个柔性连续体机器人(1)，所述柔性连续体机器人(1)包括：

柔性连续体(2)，包括头端节座(21)、若干个弯转构节、尾端节座(22)和至少两根牵引线(15)，若干个所述弯转构节相互嵌套连接形成一条弯转构节链，所述头端节座(21)和所述尾端节座(22)分别固定于所述弯转构节链的两端，牵引线(15)在若干个弯转构节的前后左右依次穿梭，将所述弯转构节链的所有弯转构节系在一起；

摄像语音装置(14)，摄像语音装置(14)集成有摄像头和麦克风，设置于柔性连续体(2)的头端节座(21)上，用以实现人机之间的信息交互；

至少两个舵机，舵机的输出轴上设置有线轮，至少两根牵引线(15)缠绕在线轮上，且牵引线(15)的端头依次穿设并系在所述弯转构节链的所有的弯转构节上，舵机通过控制牵引线(15)收线或放线从而调节所述弯转构节链前后左右四个方向的弯曲程度。

2.根据权利要求1所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，

每个所述弯转构节包括两个连接构节部(31)、一个中间构节部(32)和六根引线轴(33)，

每个连接构节部(31)上部的前后两端分别向上凸起且于凸起最高处设置有一对前后方向的连接孔(311)，每个连接构节部(31)下部的左右两端分别向下凸起且于凸起最低处设置有一对左右方向的连接孔(312)，一对前后方向的连接孔(311)与一对左右方向的连接孔(312)的中心线在空间上相互垂直；

每个连接构节部(31)上部的一对前后方向的连接孔(311)之间形成上圆弧过度区(313)，每个连接构节部(31)下部的一对左右方向的连接孔(312)之间形成下圆弧过度区(314)；所述中间构节部(32)上部的前后两端分别向上凸起形成前扇板(321)和后扇板(322)，所述中间构节部(32)的前扇板(321)和后扇板(322)的外端端面设置为弧面，且所述中间构节部(32)的前扇板(321)和后扇板(322)的外端的弧面与位于上方的连接构节部(31)的下圆弧过度区(314)相互契合；所述中间构节部(32)下部的左右两端分别向下凸起形成左扇板(323)和右扇板(324)，所述中间构节部(32)的左扇板(323)和右扇板(324)的外端端面设置为弧面，且所述中间构节部(32)的左扇板(323)和右扇板(324)的外端的弧面与位于下方的连接构节部(31)的上圆弧过度区(313)相互契合；

所述中间构节部(32)的左右两侧面分别向内设有左连接孔(A)和右连接孔(B)、前后两侧面分别向内设有前连接孔(C)和后连接孔(D)，左连接孔(A)、右连接孔(B)、前连接孔(C)和后连接孔(D)位于同一水平面上，且左连接孔(A)与右连接孔(B)位于同一直线上，前连接孔(C)和后连接孔(D)位于同一直线上，左连接孔(A)与右连接孔(B)所处的直线与前连接孔(C)和后连接孔(D)所处的直线相互垂直；每个中间构节部(32)的左连接孔(A)、右连接孔(B)、前连接孔(C)和后连接孔(D)分别配置有一根引线轴(33)；

两个连接构节部(31)分别设置中间构节部(32)的上下两端组成一个弯转构节，其中，中间构节部(32)的左连接孔(A)和右连接孔(B)分别与位于上方的连接构节部(31)的一对左右方向的连接孔(312)通过插设引线轴(33)枢接，中间构节部(32)的前连接孔(C)和后连接孔(D)分别与位于下方的连接构节部(31)的一对前后方向的连接孔(311)通过插设引线轴(33)枢接，从而将两个连接构节部(31)和一个中间构节部(32)枢接在一起形成一个所述弯转构节；

相邻两个所述弯转构节之间通过一个中间构节部(32)枢接并相互嵌套连在一起，其中，上方的弯转构节的位于下方的连接构节部(31)的一对左右方向的连接孔(312)与中间构节部(32)的左连接孔(A)、右连接孔(B)分别通过插设一根引线轴(33)枢接，下方的弯转构节的位于上方的连接构节部(31)的一对前后方向的连接孔(311)与中间构节部(32)的前连接孔(C)和后连接孔(D)分别通过插设一根引线轴(33)枢接，且位于该弯转构节下方的连接构节部(31)的下圆弧过度区(314)与相邻弯转构节的中间构节部(32)的前扇板(321)和后扇板(322)外端的弧面相互嵌套，将该弯转构节与其下方相邻的弯转构节连在一起；

若干个所述弯转构节的上端和下端依次通过枢接并嵌套连接形成一条弯转构节链。

3.根据权利要求2所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，所述柔性连续体(2)包括四根牵引线(15)，

所述左连接孔(A)、所述右连接孔(B)、所述前连接孔(C)和所述后连接孔(D)的引线轴(33)以及相邻所述弯转构节之间的中间构节部(32)的引线轴(33)的外端设置有穿线孔(150)；每个连接构节部(31)的一对前后方向的连接孔(311)与一对左右方向的连接孔(312)之间的前、后、左、右四侧分别设置有圆弧轨道槽(30)；

两根牵引线(15)分别穿过连接构节部(31)的一对左右方向的连接孔(312)中的引线轴(33)的穿线孔(150)，再分别穿过该连接构节部(31)的左侧和右侧的圆弧轨道槽(30)，最后分别穿过所述中间构节部(32)的左连接孔(A)、右连接孔(B)内的引线轴(33)的穿线孔(150)，将同一个弯转构节内的位于上方的连接构节部(31)和中间构节部(32)系在一起；相邻弯转构节的中间构节部(32)的左连接孔(A)和右连接孔(B)内的引线轴(33)与连接构节部(31)的一对左右方向的连接孔(312)的引线轴(33)交替排列，分别形成引线轴左列和引线轴右列，这两根牵引线(15)继续在相邻两个弯转构节之间的中间构节部(32)的左连接孔(A)和右连接孔(B)、连接构节部(31)的左侧和右侧的圆弧轨道槽(30)以及连接构节部(31)的一对左右方向的连接孔(312)的引线轴(33)的穿线孔(150)分别交替穿梭，将相邻弯转构节的引线轴左列和引线轴右列系在一起；

同理，另外两根牵引线(15)分别穿过连接构节部(31)的一对前后方向的连接孔(311)中的引线轴(33)的穿线孔(150)，再分别穿过该连接构节部(31)的前侧和后侧的圆弧轨道槽(30)，最后分别穿过中间构节部(32)的前连接孔(C)和后连接孔(D)内的引线轴(33)的穿线孔(150)，将同一个弯转构节内的位于下方的连接构节部(31)和中间构节部(32)系在一起；相邻弯转构节的中间构节部(32)的前连接孔(C)和后连接孔(D)内的引线轴(33)与连接构节部(31)的一对前后方向的连接孔(311)的引线轴(33)交替排列，分别形成引线轴前列和引线轴后列，这两根牵引线(15)继续在相邻两个弯转构节之间的中间构节部(32)的前连接孔(C)和后连接孔(D)、连接构节部(31)的前侧和后侧的圆弧轨道槽(30)以及连接构节部(31)的一对前后方向的连接孔(311)的引线轴(33)的穿线孔(150)分别交替穿梭，将相邻弯转构节的引线轴前列和引线轴后列系在一起；

若干个所述弯转构节的引线轴(33)通过四根牵引线(15)分别从引线轴左列、引线轴右列、引线轴前列和引线轴后列四个方向的引线轴(33)的穿线孔(150)依次穿梭，将所述弯转构节链的所有弯转构节系在一起。

4.根据权利要求3所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，

控制所述弯转构节链的引线轴前列和引线轴后列的两根牵引线(15)系在一起合二为一、控制的弯转构节链的引线轴左列和引线轴右列的两根牵引线(15)系在一起合二为一，由此将所述柔性连续体(2)中牵引若干个弯转构节运动的四根牵引线(15)变成两根牵引线(15)。

5.根据权利要求4所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，所述柔性连续体机器人(1)还包括第一舵机组(11)、第二舵机组(12)和固定架(13)，

所述固定架(13)为矩形框架，包括八根立柱、一块底板、一块顶板和一块中间板，其中底板、中间板和顶板自下而上依次平行设置将固定架(13)分为上下两层，每层之间设置四根相互平行立柱支撑，将矩形框架一分为二形成上框架部和下框架部；所述第一舵机组(11)和所述第二舵机组(12)内置有舵机，所述第一舵机组(11)和所述第二舵机组(12)分别设置于上框架部和下框架部内；

所述柔性连续体(2)的尾端节座(22)设置于所述固定架(13)的顶板上。

6.根据权利要求5所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，所述柔性连续体机器人(1)包括四根牵引线(15)，

所述第一舵机组(11)包括第一舵机和第二舵机，所述第二舵机组(12)包括第三舵机和第四舵机，所述第一舵机、所述第二舵机、所述第三舵机和所述第四舵机的输出轴上均设置有线轮，

所述弯转构节链分为上部区和下部区两部分，其中两根牵引线(15)的两个端头穿设弯转构节链的上部区的四列引线轴(33)的穿线孔(150)上，另外两根牵引线(15)的两个端头穿设弯转构节链的下部区的四列引线轴(33)的穿线孔(150)上，且同一牵引线(15)的两个端头分别系在位于同一列的两根引线轴(33)的穿线孔(150)上。

7.根据权利要求6所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，还包括一个背包壳(4)和一个升降机构，

所述背包壳(4)上部两端分别设置有左肩孔(41)和右肩孔(42)，所述左肩孔(41)和所述右肩孔(42)之间留有横向通道(43)；

所述升降机构包括轴承座(50)、电机(51)、主动副(521)、从动副(522)和水平连接杆(523)，

所述轴承座(50)固定于所述背包壳(4)内部且位于所述横向通道(43)的中部，

所述电机(51)设置于所述轴承座(50)内，且所述电机(51)的输出轴与所述主动副(521)的动力输入端固定连接，所述主动副(521)的动力输出端固定于所述水平连接杆(523)的左端，所述从动副(522)的两端分别与所述轴承座(50)和所述水平连接杆(523)的右端连接，所述主动副(521)和所述从动副(522)相互平行，由此形成平行四连杆机构；

所述从动副(522)与所述轴承座(50)的连接处设置有轴承；

所述固定架(13)与所述水平连接杆(523)固定连接；

当电机(51)工作时，电机(51)带动主动副(521)转动，进而带动水平连接杆(523)及固定架(13)沿着所述背包壳(4)内壁边缘圆周运动，实现了柔性连续体(2)的上升或下降，当固定架(13)运动至最左端或最右端时，固定架(13)分别位于左肩孔(41)或右肩孔(42)，柔性连续体(2)能够从左肩孔(41)或右肩孔(42)伸出。

8.根据权利要求7所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，

所述背包壳(4)的背面配置有两条背带(10)，用于人机交互时背在人体后背上。

9.根据权利要求7所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，还包括可自锁支撑机构，

所述可自锁支撑机构包括竖直连接杆(61)、导向块(62)、左固定座(63)和右固定座(64)，

其中，所述左固定座(63)和所述右固定座(64)分别固定于所述背包壳(4)内部且位于所述横向通道(43)的两端；

所述竖直连接杆(61)固定于水平连接杆(523)的底面，且所述竖直连接杆内设置有滑槽，所述导向块(62)设置于滑槽内，能在滑槽内上下自由滑动；

所述左固定座(63)和所述右固定座(64)内均设有伸缩支撑块(631)，伸缩支撑块(631)内设有伸缩头(630)，伸缩头(630)与伸缩支撑块(631)之间设有弹簧，伸缩头(630)能沿着水平方向自由伸缩。

10.根据权利要求9所述的穿戴式人机交互机器人系统，其特征在于，

所述伸缩头(630)用于与导向块(62)接触的一端设置为下斜面，所述导向块(62)用于与伸缩头(630)接触的一端设置为弧面，且弧面朝下，所述水平连接杆(523)朝向伸缩头(630)的端面设置为上斜面，且所述水平连接杆(523)的上斜面与所述伸缩头(630)的下斜面相契合；

当电机(51)通过主动副(521)和从动副(522)带动水平连接杆(523)及竖直连接杆(61)转动至所述左固定座(63)或所述右固定座(64)时，所述伸缩头(630)的下斜面与所述导向块(62)的弧面或所述水平连接杆(523)的上斜面相接触。

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