CN118404559A

CN118404559A - 一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备

Info

Publication number: CN118404559A
Application number: CN202410867385.5A
Authority: CN
Inventors: 杨赓; 汪若菡; 陈弈; 崔熹; 吕鸿昊; 张光耀; 董娜; 张中伟; 徐国辉; 吕鹏
Original assignee: Dongfang Electric Co ltd; Dongfang Electric Yangtze River Delta Hangzhou Innovation Research Institute Co ltd; Zhejiang University ZJU
Current assignee: Dongfang Electric Co ltd; Dongfang Electric Yangtze River Delta Hangzhou Innovation Research Institute Co ltd; Zhejiang University ZJU
Priority date: 2024-07-01
Filing date: 2024-07-01
Publication date: 2024-07-30
Anticipated expiration: 2044-07-01
Also published as: CN118404559B

Abstract

本发明公开了一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备。装备包括设备支撑背板、人体固定机构、可穿戴式手臂套组和一对控制手柄。设备支撑背板底端装有人体固定机构，可通过松紧带与人体固定；设备支撑背板左右侧对称安装有对应的可穿戴式手臂套组，每个可穿戴式手臂套组具有五个自由度，包括二自由度肩部模块、一自由度肘部模块和二自由度腕部模块，各模块间采用可调连杆设计，增加可穿戴遥操作输入设备的穿戴人群范围；控制手柄配备三个按钮，可用作遥操作时的使能按键和夹爪开合按键等。本发明利用可穿戴式手臂套组采集的关节角度信息捕捉操作者意图，可以在遥操作机器人智能制造场景下提供更直观、安全的遥操作输入方式。

Description

一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备

技术领域

本发明涉及应用于机器人与人机交互技术领域的一种遥操作智能装备，具体涉及了一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备。

背景技术

随着制造业的不断发展，制造业的智能化水平不断提升，利用机器人等智能化装备代替人类进行繁杂、沉重以及重复性劳动成为制造业的大趋势。制造产线的无人化与自动化在一定程序上减少了工人的超负荷工作以及降低了工人在粉尘、有毒气体环境中工作的危害性。新一代的智能制造技术强调人机共融的制造，即充分结合人在面向非结构化环境下的智能决策、逻辑推理方面的智慧和机器人可靠、精准、力量等方面的性能，形成优势互补。因此，发展数字化遥操作制造、推动智能化装备升级优化成为当前机器人领域的发展热点。

在这一背景下，利用遥操作输入设备控制工业机器人可充分发挥人在回路的智能决策作用，同时遥操作允许操作者不进入实际生产作业空间，在一定程度上可以保障人的安全。而现有的制造用遥操作输入设备可分为两大类：桌面键鼠交互型与摇杆手柄操控型。这两类设备由于其有限的按钮于操作空间，使遥操作的场地无法随时切换，遥操作时人机交互不够直观，对操作者也需要进行预先培训。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明提供一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，实时捕捉人体运动姿态，识别人体运动意图的同时，保障操作人员穿戴操作的安全性，提升操作者的临场感与操作的直观性。本发明确切的说是一种穿戴后可以用来捕捉人体动作、识别人体运动意图从而对制造场景下的机器人进行远程控制的一种智能装备，可以减少制造业中工人的工作负担、增加操作者的操作直观性的同时，融合人的智能决策能力，实现对机械臂的遥操作控制。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明包括控制模块、设备支撑背板、人体固定机构、可穿戴式手臂套组和控制手柄；控制模块安装在设备支撑背板中并与可穿戴式手臂套组电连接，设备支撑背板的底部安装有人体固定机构，设备支撑背板的侧部至少安装有一个可穿戴式手臂套组，每个可穿戴式手臂套组的末端安装有控制手柄；穿戴时，操作者背部紧贴支撑背板，人体固定机构固定在操作者腰部，操作者手臂穿入可穿戴式手臂套组中并且手握控制手柄，实现设备的穿戴与动作意图的捕捉；

其中所述每个可穿戴式手臂套组包括二自由度肩部模块、一自由度肘部模块和二自由度腕部模块；二自由度肩部模块与设备支撑背板侧部固定连接，一自由度肘部模块与二自由度肩部模块固连，二自由度腕部模块与一自由度肘部模块固连，控制手柄固定安装在二自由度腕部模块的末端。

所述二自由度肩部模块包括连接夹块、肩部编码器、编码器输出连杆、一级滑块、二级滑块、肩部主支架、肩部电机、肩部电机输出连杆；穿戴时，肩部主支架的中部设置在操作者肩部，肩部主支架的两侧设置有两个向下延伸的分支架，肩部主支架位于操作者背面的分支架中开设有滑动槽，滑动槽中可滑动地安装有二级滑块，二级滑块中可滑动地安装有一级滑块，编码器输出连杆、肩部主支架、二级滑块和一级滑块组成多级伸缩调节组件；肩部电机固定安装在肩部主支架的位于操作者正面的分支架中，肩部电机的输出轴与肩部电机输出连杆的一端同轴固定连接，肩部电机输出连杆的另一端与一自由度肘部模块固定连接，肩部电机输出连杆的转动带动肩部电机的输出轴转动；连接夹块与设备支撑背板的侧部固定连接，肩部编码器固定安装在连接夹块上，编码器输出连杆的形状设置为L型，肩部编码器的输出轴与编码器输出连杆的上端固定连接，编码器输出连杆的下端与一级滑块的下端铰接；肩部编码器和肩部电机均与控制模块相连。

所述一自由度肘部模块包括肘肩连接杆、肘部电机座、肘部电机和肘部电机输出连杆；肘肩连接杆上端与二自由度肩部模块固定连接，穿戴时，肘肩连接杆安装在操作者的大臂处；肘肩连接杆的下端固定安装有肘部电机座，肘部电机座中固定安装有肘部电机，肘部电机的输出轴与肘部电机输出连杆的上端固定连接，肘部电机输出连杆的下端设置为圆形槽口，肘部电机输出连杆的圆形槽口与操作者的肘部固定，肘部电机输出连杆的转动带动肘部电机的输出轴转动；肘部电机输出连杆的下端与二自由度腕部模块相连；肘部电机与控制模块相连。

所述肘肩连接杆中开设有多个方形通孔，大臂绑带穿过肘肩连接杆的方形通孔后将肘肩连接杆固定安装在操作者的大臂处。

所述二自由度腕部模块包括腕部旋转驱动电机、腕部旋转电机输出轴小齿轮、腕部穿戴中空大齿轮、腕部穿戴中空大齿轮连杆、腕部可调长度连杆、腕部俯仰连杆、腕部俯仰自由度转轴、腕部俯仰自由度从动齿轮、腕部握把连接杆、腕部俯仰驱动电机、腕部俯仰驱动电机电机座和腕部俯仰自由度主动齿轮；

腕部穿戴中空大齿轮通过轴承与一自由度肘部模块的下端相连，腕部旋转驱动电机固定安装在一自由度肘部模块的下端，腕部旋转驱动电机的输出轴与腕部旋转电机输出轴小齿轮同轴固定连接，腕部旋转电机输出轴小齿轮与腕部穿戴中空大齿轮啮合形成第一齿轮副；腕部穿戴中空大齿轮连杆的上端固定安装在腕部穿戴中空大齿轮的下端面，腕部穿戴中空大齿轮连杆的下端与腕部可调长度连杆的上端固定连接，腕部可调长度连杆的下端与腕部俯仰连杆固定连接；穿戴时，操作者的腕部与腕部可调长度连杆固定，腕部可调长度连杆的转动带动第一齿轮副，进而带动腕部旋转驱动电机的输出轴转动；腕部俯仰连杆中固定安装有腕部俯仰驱动电机电机座，腕部俯仰驱动电机电机座中固定安装有腕部俯仰驱动电机，腕部俯仰驱动电机的输出轴与腕部俯仰自由度主动齿轮固定连接；腕部俯仰连杆远离腕部可调长度连杆的一端安装有腕部俯仰自由度转轴，腕部握把连接杆通过腕部俯仰自由度转轴与腕部俯仰连杆相连，腕部握把连接杆与控制手柄固定连接；腕部俯仰自由度转轴与腕部俯仰自由度从动齿轮同轴固定连接，腕部俯仰自由度从动齿轮与腕部俯仰自由度主动齿轮啮合形成第二齿轮副，控制手柄的转动带动第二齿轮副，进而带动腕部俯仰驱动电机的输出轴转动；腕部旋转驱动电机和腕部俯仰驱动电机均与控制模块相连。

所述腕部穿戴中空大齿轮连杆的下端开设有多个上下依次布置的螺栓连接孔，腕部可调长度连杆的上端也开设有多个上下依次布置的螺栓连接孔，腕部穿戴中空大齿轮连杆与腕部可调长度连杆通过螺栓固定连接，根据穿戴者臂展调整腕部穿戴中空大齿轮连杆与腕部可调长度连杆的连接长度。

所述腕部可调长度连杆的中部开设有多个绑带通孔，腕部可调长度连杆绑带穿过绑带通孔后将腕部可调长度连杆固定在操作者的腕部。

所述控制手柄包括控制手柄连杆和控制按钮；控制手柄连杆与可穿戴式手臂套组的末端固定连接；控制按钮与控制手柄连杆固定连接。

所述设备支撑背板包括背板主支撑件、手臂支撑延展架和控制板固定架；背板主支撑件上部与手臂支撑延展架固连，背板主支撑件下部与人体固定机构固连，手臂支撑延展架与可穿戴式手臂套组相连，背板主支撑件远离操作者的一侧面安装有控制板固定架，控制板固定架中安装有控制模块。

所述设备支撑背板、人体固定机构均采用碳纤维制备获得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明使用轻量化可穿戴设计，其设计符合人体工程学分析，能与人体进行良好的贴附，从而获得较好的人体运动意图捕捉效果。此外，轻量化的设计可减轻长时间工作所带来的工作负担，可穿戴的设计可使得操作者操作机械臂更直观。

2.本发明采用五自由度旋转关节设计方式，该自由度数量可有效覆盖人体日常运动所需工作空间，相较于低自由度拥有更多的活动空间，相较于高自由度具有更强的稳定性和运动精度。

3.本发明的肩部模块采用曲柄滑块结构，相较于同类型穿戴设备采用的电机直驱的方案来实现肩部前后摆动自由度，本发明提出的曲柄滑块结构可以自主解决人体的大臂前伸与后展动作所造成的旋转中心变化问题，在捕捉人体动作的同时，更好地贴合人体。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中设备支撑背板与人体固定机构的结构示意图；其中(a)为设备支撑背板与人体固定机构的正面视图，(b)为设备支撑背板与人体固定机构的背面视图；

图3为可穿戴式手臂套组的结构示意图；

图4为可穿戴式手臂套组中肩部模块的结构示意图；其中(a)为肩部模块的轴侧视图一，(b)为肩部模块的轴侧视图二；

图5为可穿戴式手臂套组中肘部模块的结构示意图；

图6为可穿戴式手臂套组中腕部模块的整体结构示意图；其中(a)为腕部模块的轴侧视图一，(b)为腕部模块的轴侧视图二；

图7为本发明中控制手柄的整体结构示意图；

图8为本发明中肩部模块运动示意图；

图9为本发明中肩部模块的数学模型示意图；其中(a)为肩部模块初始状态的数学模型，(b)为肩部模块旋转任意角度后的数学模型；

图10为可穿戴式手臂套组数学模型与MDH坐标示意图。

图中：设备支撑背板1、人体固定机构2、背板主支撑件10、手臂支撑延展架11、控制板固定架12、可穿戴式手臂套组3、二自由度肩部模块31、连接夹块311、连接夹块螺栓312、肩部编码器313、编码器输出连杆314、塞打螺栓315、一级滑块3151、二级滑块3152、肩部主支架316、肩部电机317、肩部电机输出连杆318、一自由度肘部模块32、肘肩连接杆321、大臂绑带322、肘部电机座323、肘部电机324、肘部电机输出连杆325、二自由度腕部模块33、腕部旋转驱动电机331、腕部旋转电机输出轴小齿轮332、腕部穿戴中空大齿轮333、腕部穿戴中空大齿轮连杆334、腕部可调长度连杆335、腕部可调长度连杆绑带336、腕部俯仰连杆337、腕部俯仰自由度转轴338、腕部俯仰自由度从动齿轮339、腕部握把连接杆3310、腕部俯仰驱动电机3311、腕部俯仰驱动电机电机座3312、腕部俯仰自由度主动齿轮3313、控制手柄4、控制手柄连杆41、控制按钮42。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明包含的内容主要与智能装备相关，更确切的说是面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备。本发明适用于智能制造的远程装配场景下的人体运动意图捕捉，旨在通过各关节角度数据捕捉和预测人体手臂动作控制机械臂，提升操作者远程操控机械臂的临场感与直观性。由于本发明中的可穿戴式手臂套组重量轻、具有五个自由度，可覆盖人体日常运动所需工作空间的同时增加机械控制精度、减轻操作者操控负担；由于本发明中的可穿戴手臂套组肩部采用滑块机构，可以有效解决肩部前后摆动时摆动点上下变化带来的人机贴附困难问题，增加人机协同能力。

如图1所示，本发明包括控制模块、设备支撑背板1、人体固定机构2、可穿戴式手臂套组3和控制手柄4；控制模块安装在设备支撑背板1中并与可穿戴式手臂套组3电连接，使用碳纤维搭建设备支撑背板1与人体固定机构2，设备支撑背板1的底部安装有人体固定机构2，，设备支撑背板1的左右侧对称安装一对可穿戴式手臂套组3。每个可穿戴式手臂套组3具有五个自由度，可覆盖人体日常活动中手臂所需的自由度，每个可穿戴式手臂套组3的末端安装有控制手柄4；穿戴时，操作者背部紧贴支撑背板1，松紧带穿过人体固定机构2后，使得人体固定机构2固定在操作者腰部，操作者手臂穿入可穿戴式手臂套组3中并且手握控制手柄4，实现设备的穿戴与动作意图的捕捉。

如图2所示，设备支撑背板1包括背板主支撑件10、手臂支撑延展架11和控制板固定架12；背板主支撑件10上部的左右两侧分别与对应的手臂支撑延展架11固连，背板主支撑件10下部与人体固定机构2固连，每个手臂支撑延展架11与对应的可穿戴式手臂套组3相连，背板主支撑件10远离操作者的一侧面固定安装有控制板固定架12，控制板固定架12中安装有控制模块。

如图3所示，每个可穿戴式手臂套组3包括二自由度肩部模块31、一自由度肘部模块32和二自由度腕部模块33；二自由度肩部模块31与设备支撑背板1的侧部的手臂支撑延展架11固定连接，一自由度肘部模块32通过螺栓与二自由度肩部模块31固连，二自由度腕部模块33通过螺栓与一自由度肘部模块32固连，控制手柄4固定安装在二自由度腕部模块33的末端。

如图4的(a)和图4的(b)所示，二自由度肩部模块31包括连接夹块311、连接夹块螺栓312、肩部编码器313、编码器输出连杆314、塞打螺栓315、一级滑块3151、二级滑块3152、肩部主支架316、肩部电机317、肩部电机输出连杆318；穿戴时，肩部主支架316的中部设置在操作者肩部，肩部主支架316的两侧设置有两个向下延伸的分支架，肩部主支架316位于操作者背面的分支架中开设有滑动槽，滑动槽中可滑动地安装有二级滑块3152，二级滑块3152中可滑动地安装有一级滑块3151，编码器输出连杆314、肩部主支架316、二级滑块3152和一级滑块3151组成多级伸缩调节组件；在操作者肩部前后摆动过程中，由于肩部主支架316与肩部编码器313的旋转中心固定，多级伸缩调节组件可自由伸缩以适应不同的旋转角度所引起的距离变化。肩部电机317通过螺栓固定安装在肩部主支架316位于操作者正面的分支架中，肩部电机317的输出轴与肩部电机输出连杆318的一端同轴固定连接，肩部电机输出连杆318的另一端设有螺纹孔，可通过螺栓与一自由度肘部模块32的肘肩连接杆321固定连接，肩部电机输出连杆318的转动带动肩部电机317的输出轴转动；连接夹块311通过两个连接夹块螺栓312与设备支撑背板1的侧部的手臂支撑延展架11固定连接，肩部编码器313固定安装在连接夹块311上，编码器输出连杆314的形状设置为L型，编码器输出连杆314为刚性的一体连杆。肩部编码器313的输出轴与编码器输出连杆314的上端固定连接，编码器输出连杆314的下端与一级滑块3151的下端通过塞打螺栓315铰接，实现相对转动；肩部编码器313和肩部电机317均与控制模块相连。本发明通过肩部编码器313与多级伸缩调节组件完成捕捉肩部的前伸和后展。

一自由度肘部模块32包括肘肩连接杆321、大臂绑带322、肘部电机座323、肘部电机324和肘部电机输出连杆325；肘肩连接杆321上端开设有不同螺栓孔位并且肘肩连接杆321通过螺栓与二自由度肩部模块31的肩部电机输出连杆318的另一端固定连接，肘肩连接杆321中开设有多个方形通孔；穿戴时，大臂绑带322穿过肘肩连接杆321的方形通孔后将肘肩连接杆321安装在操作者的大臂处；肘肩连接杆321的下端固定安装有肘部电机座323，肘部电机座323中通过螺栓固定安装有肘部电机324，肘部电机324的输出轴与肘部电机输出连杆325的上端固定连接，肘部电机输出连杆325的下端设置为圆形槽口，肘部电机输出连杆325的圆形槽口与操作者的肘部固定，肘部电机输出连杆325的转动带动肘部电机324的输出轴转动，肘部电机324上的编码器采集获得肘部电机输出连杆325的转角；肘部电机输出连杆325的下端与二自由度腕部模块33的腕部穿戴中空大齿轮333和腕部旋转驱动电机331相连；肘部电机324与控制模块相连。

如图6的(a)和图6的(b)所示，二自由度腕部模块33包括腕部旋转驱动电机331、腕部旋转电机输出轴小齿轮332、腕部穿戴中空大齿轮333、腕部穿戴中空大齿轮连杆334、腕部可调长度连杆335、腕部可调长度连杆绑带336、腕部俯仰连杆337、腕部俯仰自由度转轴338、腕部俯仰自由度从动齿轮339、腕部握把连接杆3310、腕部俯仰驱动电机3311、腕部俯仰驱动电机电机座3312和腕部俯仰自由度主动齿轮3313；腕部穿戴中空大齿轮333通过轴承与一自由度肘部模块32的肘部电机输出连杆325下端相连，具体地，肘部电机输出连杆325的下端圆形槽口内置中空轴承，轴承外圈与圆形槽口固定连接，腕部穿戴中空大齿轮333与轴承内圈固定连接，轴承内外圈可相对转动。腕部旋转驱动电机331固定安装在一自由度肘部模块32的肘部电机输出连杆325下端，腕部旋转驱动电机331的输出轴通过顶丝与腕部旋转电机输出轴小齿轮332同轴固定连接，腕部旋转电机输出轴小齿轮332与腕部穿戴中空大齿轮333啮合形成第一齿轮副。

腕部穿戴中空大齿轮连杆334的上端固定安装在腕部穿戴中空大齿轮333的下端面，腕部穿戴中空大齿轮连杆334的下端开设有多个上下依次布置的螺栓连接孔，腕部可调长度连杆335的上端也开设有多个上下依次布置的螺栓连接孔，腕部穿戴中空大齿轮连杆334的下端与腕部可调长度连杆335的上端固定连接，可根据穿戴者臂展等因素调整两者的连接长度。腕部可调长度连杆335的下端与腕部俯仰连杆337固定连接；穿戴时，操作者的腕部通过腕部可调长度连杆绑带336与腕部可调长度连杆335固定，腕部可调长度连杆335的转动带动第一齿轮副，进而带动腕部旋转驱动电机331的输出轴转动，腕部旋转驱动电机331上的编码器采集获得腕部可调长度连杆335的转角；腕部俯仰连杆337中固定安装有腕部俯仰驱动电机电机座3312，腕部俯仰驱动电机电机座3312中固定安装有腕部俯仰驱动电机3311，腕部俯仰驱动电机3311的输出轴通过顶丝与腕部俯仰自由度主动齿轮3313固定连接；腕部俯仰连杆337远离腕部可调长度连杆335的一端安装有腕部俯仰自由度转轴338，腕部握把连接杆3310通过腕部俯仰自由度转轴338与腕部俯仰连杆337相连，具体地，腕部俯仰连杆337远离腕部可调长度连杆335的一端设置夹槽，夹槽两端打有通孔，腕部俯仰自由度转轴338穿过腕部俯仰连杆337夹槽的通孔后与腕部握把连接杆3310相连，腕部俯仰自由度转轴338与腕部俯仰连杆337的夹槽通孔可相对转动。腕部握把连接杆3310与控制手柄4的控制手柄连杆固定连接；腕部俯仰自由度转轴338通过顶丝与腕部俯仰自由度从动齿轮339同轴固定连接，腕部俯仰自由度从动齿轮339与腕部俯仰自由度主动齿轮3313啮合形成第二齿轮副，控制手柄4的转动带动第二齿轮副，进而带动腕部俯仰驱动电机3311的输出轴转动，腕部俯仰驱动电机3311上的编码器采集获得控制手柄4的转角；腕部旋转驱动电机331和腕部俯仰驱动电机3311均与控制模块相连。

如图7所示，控制手柄4包括控制手柄连杆41和控制按钮42；控制手柄连杆41通过螺栓与可穿戴式手臂套组3末端的二自由度腕部模块33的腕部握把连接杆3310固定连接；控制按钮42通过胶水与控制手柄连杆41固定连接。

不同于其他外骨骼的设计，为更好适应操作者肩部的运动，本发明利用多级伸缩调节组件构建了一种新型的可穿戴式手臂套组的肩部模块，以更好地适应操作者肩部前伸与后展运动。对肩部模块进行运动学分析以简化可穿戴式手臂套组的数学模型，如图8、图9的(a)和图9的(b)所示，对编码器输出连杆314的转角θ _A、肩部主支架316的转角θ _B以及两者的角速度w _A和w _B构建数学关系，将不便于安装驱动器的人体实际运动关节角B处的角度转化到易于安装和测量的A处，其中B处为肩部关节的转轴中心，A处为肩部编码器313的中心。D0为肩部模块在初始状态时塞打螺栓315的中心点，D为肩部模块在任意状态下的塞打螺栓315的中心点，肩部主支架316简化为杆BC与杆CD，其中BC与CD垂直。肩部模块中，A点与B点之间的水平距离L _ABx和垂直距离与L _ABy知，肩部主支架316的回转半径R已知，编码器输出连杆314的两端点直线长度L _AD知，由此可得：

L _AB=(L _ABx ²+L _ABy ²)^1/2

β ₀=arcsin((L _ABx-R)/L _AD) β ₁=arctan(L _ABy/L _ABx) α ₀=β ₁-β ₀

其中，L _AB为AB两点之间的直线距离，L _i为直线AB的垂线，β ₀为点D0与点A所形成的连线与竖直面的夹角，α ₀为垂线L _i与直线AD0的夹角，β ₁为垂线L _i与竖直面的夹角，根据几何关系，∠C0BA=β ₁。

要构建编码器输出连杆314的转角θ _A与肩部主支架316的转角θ _B的几何关系，因此有：

β ₁+ Ø ₃-Ø ₂ =θ _B

Ø ₂=arccos(R/L _BD)

L _BD=(L _AB ²+L _AD ²-2L _AB L _AD cos Ø ₁)^1/2

Ø ₃=arccos((L _AB ²+L _BD ²-L _AD ²)/2L _AB L _BD)=arccos((L _AB-L _AD cos Ø ₁)/L _BD)

Ø ₁=90°-θ _A+α ₀

其中，Ø ₁为角度∠BAD，Ø ₂为角度∠CBD，Ø ₃为角度∠ABD。L _BD为点B与点D之间的直线距离。

因此，将上述四个公式代入后可得：

将角度表达式对时间求导后，可得以下公式：

因此，可得以下公式：

其中，w _B为点B的角速度，为点B的角度的导数，为角度∠ABD的导数，为角度∠CBD的导数，w _A为点A的角速度；L _AD为点A与点D之间的直线距离。

通过分析以上公式，可以通过肩部编码器313的旋转角度θ _A求得实际的肩部旋转角度θ _B，因此在分析该可穿戴式手臂套组的运动学数学模型时，第一个关节可由关节1替代，如图10所示。

两个可穿戴式手臂套组与水平面成90°夹角安装在设备支撑背板1上，形成双可穿戴式手臂套组。可穿戴式手臂套组的末端精度为±1mm，可以保证对人体末端动作定位的精确性；可穿戴式手臂套组穿戴于人体后通过人手臂的运动带动各关节的转动，通过各关节上的编码器或电机转角数据实现人体的运动意图捕捉；各关节的旋转角度限制均由对应关节连杆的机械构型决定，该可穿戴遥操作智能化装备的运动学MDH表格如下表1所示，其中关节1为肩部主支架316的旋转中心；关节2为肩部电机317的旋转中心，关节3为肘部电机324的旋转中心，关节4为腕部穿戴中空大齿轮333的旋转中心，关节5为腕部俯仰自由度从动齿轮339的旋转中心，关节6为控制手柄连杆41的中心。

表1为可穿戴遥操作智能化装备的运动学MDH表

可穿戴式手臂套组的控制模块包括stm32F4单片机、直流无刷电机、电调以及24V和5V的供电电源。直流无刷电机内部集成编码器，可实时获取电机输出轴位置信息，24V电源为直流无刷电机供电；5V电源为单片机供电；限位开关可以控制机械臂上电时都运动到指定的位置；工作时直流无刷电机处于电流控制模式，即输出轴可以随着人体的运动而转动，单片机输出控制与接收信号，利用CAN总线控制电调驱动对应的直流无刷电机，控制其电流的大小便可控制电机输出轴转矩的大小；直流无刷电机内置编码器可以反馈回各电机转动的位置，利用上述MDH表格实时计算可穿戴式手臂套组的末端位置，通过位姿映射算法，控制远端的机械臂末端位置。

最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。

Claims

1.一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，包括控制模块、设备支撑背板（1）、人体固定机构（2）、可穿戴式手臂套组（3）和控制手柄（4）；控制模块安装在设备支撑背板（1）中并与可穿戴式手臂套组（3）电连接，设备支撑背板（1）的底部安装有人体固定机构（2），设备支撑背板（1）的侧部至少安装有一个可穿戴式手臂套组（3），每个可穿戴式手臂套组（3）的末端安装有控制手柄（4）；穿戴时，操作者背部紧贴支撑背板（1），人体固定机构（2）固定在操作者腰部，操作者手臂穿入可穿戴式手臂套组（3）中并且手握控制手柄（4），实现设备的穿戴与动作意图的捕捉；

其中所述每个可穿戴式手臂套组（3）包括二自由度肩部模块（31）、一自由度肘部模块（32）和二自由度腕部模块（33）；二自由度肩部模块（31）与设备支撑背板（1）的侧部固定连接，一自由度肘部模块（32）与二自由度肩部模块（31）固连，二自由度腕部模块（33）与一自由度肘部模块（32）固连，控制手柄（4）固定安装在二自由度腕部模块（33）的末端。

2.根据权利要求1所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述二自由度肩部模块（31）包括连接夹块（311）、肩部编码器（313）、编码器输出连杆（314）、一级滑块（3151）、二级滑块（3152）、肩部主支架（316）、肩部电机（317）、肩部电机输出连杆（318）；穿戴时，肩部主支架（316）的中部设置在操作者肩部，肩部主支架（316）的两侧设置有两个向下延伸的分支架，肩部主支架（316）位于操作者背面的分支架中开设有滑动槽，滑动槽中可滑动地安装有二级滑块（3152），二级滑块（3152）中可滑动地安装有一级滑块（3151），编码器输出连杆（314）、肩部主支架（316）、二级滑块（3152）和一级滑块（3151）组成多级伸缩调节组件；肩部电机（317）固定安装在肩部主支架（316）的位于操作者正面的分支架中，肩部电机（317）的输出轴与肩部电机输出连杆（318）的一端同轴固定连接，肩部电机输出连杆（318）的另一端与一自由度肘部模块（32）固定连接，肩部电机输出连杆（318）的转动带动肩部电机（317）的输出轴转动；连接夹块（311）与设备支撑背板（1）的侧部固定连接，肩部编码器（313）固定安装在连接夹块（311）上，编码器输出连杆（314）的形状设置为L型，肩部编码器（313）的输出轴与编码器输出连杆（314）的上端固定连接，编码器输出连杆（314）的下端与一级滑块（3151）的下端铰接；肩部编码器（313）和肩部电机（317）均与控制模块相连。

3.根据权利要求1所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述一自由度肘部模块（32）包括肘肩连接杆（321）、肘部电机座（323）、肘部电机（324）和肘部电机输出连杆（325）；肘肩连接杆（321）上端与二自由度肩部模块（31）固定连接，穿戴时，肘肩连接杆（321）安装在操作者的大臂处；肘肩连接杆（321）的下端固定安装有肘部电机座（323），肘部电机座（323）中固定安装有肘部电机（324），肘部电机（324）的输出轴与肘部电机输出连杆（325）的上端固定连接，肘部电机输出连杆（325）的下端设置为圆形槽口，肘部电机输出连杆（325）的圆形槽口与操作者的肘部固定，肘部电机输出连杆（325）的转动带动肘部电机（324）的输出轴转动；肘部电机输出连杆（325）的下端与二自由度腕部模块（33）相连；肘部电机（324）与控制模块相连。

4.根据权利要求3所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述肘肩连接杆（321）中开设有多个方形通孔，大臂绑带（322）穿过肘肩连接杆（321）的方形通孔后将肘肩连接杆（321）固定安装在操作者的大臂处。

5.根据权利要求1所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述二自由度腕部模块（33）包括腕部旋转驱动电机（331）、腕部旋转电机输出轴小齿轮（332）、腕部穿戴中空大齿轮（333）、腕部穿戴中空大齿轮连杆（334）、腕部可调长度连杆（335）、腕部俯仰连杆（337）、腕部俯仰自由度转轴（338）、腕部俯仰自由度从动齿轮（339）、腕部握把连接杆（3310）、腕部俯仰驱动电机（3311）、腕部俯仰驱动电机电机座（3312）和腕部俯仰自由度主动齿轮（3313）；

腕部穿戴中空大齿轮（333）通过轴承与一自由度肘部模块（32）的下端相连，腕部旋转驱动电机（331）固定安装在一自由度肘部模块（32）的下端，腕部旋转驱动电机（331）的输出轴与腕部旋转电机输出轴小齿轮（332）同轴固定连接，腕部旋转电机输出轴小齿轮（332）与腕部穿戴中空大齿轮（333）啮合形成第一齿轮副；腕部穿戴中空大齿轮连杆（334）的上端固定安装在腕部穿戴中空大齿轮（333）的下端面，腕部穿戴中空大齿轮连杆（334）的下端与腕部可调长度连杆（335）的上端固定连接，腕部可调长度连杆（335）的下端与腕部俯仰连杆（337）固定连接；穿戴时，操作者的腕部与腕部可调长度连杆（335）固定，腕部可调长度连杆（335）的转动带动第一齿轮副，进而带动腕部旋转驱动电机（331）的输出轴转动；腕部俯仰连杆（337）中固定安装有腕部俯仰驱动电机电机座（3312），腕部俯仰驱动电机电机座（3312）中固定安装有腕部俯仰驱动电机（3311），腕部俯仰驱动电机（3311）的输出轴与腕部俯仰自由度主动齿轮（3313）固定连接；腕部俯仰连杆（337）远离腕部可调长度连杆（335）的一端安装有腕部俯仰自由度转轴（338），腕部握把连接杆（3310）通过腕部俯仰自由度转轴（338）与腕部俯仰连杆（337）相连，腕部握把连接杆（3310）与控制手柄（4）固定连接；腕部俯仰自由度转轴（338）与腕部俯仰自由度从动齿轮（339）同轴固定连接，腕部俯仰自由度从动齿轮（339）与腕部俯仰自由度主动齿轮（3313）啮合形成第二齿轮副，控制手柄（4）的转动带动第二齿轮副，进而带动腕部俯仰驱动电机（3311）的输出轴转动；腕部旋转驱动电机（331）和腕部俯仰驱动电机（3311）均与控制模块相连。

6.根据权利要求5所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述腕部穿戴中空大齿轮连杆（334）的下端开设有多个上下依次布置的螺栓连接孔，腕部可调长度连杆（335）的上端也开设有多个上下依次布置的螺栓连接孔，腕部穿戴中空大齿轮连杆（334）与腕部可调长度连杆（335）通过螺栓固定连接，根据穿戴者臂展调整腕部穿戴中空大齿轮连杆（334）与腕部可调长度连杆（335）的连接长度。

7.根据权利要求5所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述腕部可调长度连杆（335）的中部开设有多个绑带通孔，腕部可调长度连杆绑带（336）穿过绑带通孔后将腕部可调长度连杆（335）固定在操作者的腕部。

8.根据权利要求1所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述控制手柄（4）包括控制手柄连杆（41）和控制按钮（42）；控制手柄连杆（41）与可穿戴式手臂套组（3）的末端固定连接；控制按钮（42）与控制手柄连杆（41）固定连接。

9.根据权利要求1所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述设备支撑背板（1）包括背板主支撑件（10）、手臂支撑延展架（11）和控制板固定架（12）；背板主支撑件（10）上部与手臂支撑延展架（11）固连，背板主支撑件（10）下部与人体固定机构（2）固连，手臂支撑延展架（11）与可穿戴式手臂套组（3）相连，背板主支撑件（10）远离操作者的一侧面安装有控制板固定架（12），控制板固定架（12）中安装有控制模块。

10.根据权利要求1所述的一种面向人机安全交互的可穿戴遥操作智能化装备，其特征在于，所述设备支撑背板（1）、人体固定机构（2）均采用碳纤维制备获得。