[發明專利]服務型移動機械手系統

有效

• 申請號: 201610206114.0
• 申請日: 2016-04-06
• 公開（公告）號: CN105710885B
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 陳乃建;曹樹坤;韓祥東;李長春;艾長勝;李國平;孫選
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: B25J11/00
• 分類號: B25J11/00
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業)37240
• 代理人: 李茜

技術領域

本發明涉及移動機械手和信息學領域，尤其涉及助老助殘的服務型移動機械手領域。

背景技術

助老助殘機器人作為一種輔助技術及產品，已擴展到殘障人士及老年人生活的各個領域，解決他們生活中的一些困難。由輪椅移動平臺及安裝在輪椅上的機械臂組成的服務型移動機械臂（或稱輪椅機械臂）是助老助殘機器人的重要分支，因其具有在非結構化家庭環境下的行走能力、任意物體抓取能力以及多通道人機交互能力，能夠代替人類完成服務老人、殘疾人的各項任務而成為康復領域的研究熱點之一。目前，美國、德國、韓國等都對服務型移動機械手投入大量經費進行研究，不斷提高服務型移動機械手的體系結構、人機交互、目標導航等功能，而隨著我國逐步進入小康社會，康復工程得到了社會的廣泛關注，在國家《發展規劃綱要（2006-2020年）》中，明確指出將服務機器人作為未來優先發展的戰略高技術，在“十一五”期間，國家863計劃開展了7類助老助殘機器人系統研究，2015年度國家863計劃也重點開展了“移動操作臂核心技術研究及應用示范”課題，因此，服務型移動機械手作為服務機器人的一種不僅成為研究重點，還具有較好的社會效益和經濟效益。

自 20世紀60年代美國建造的Rancho “Golden”機械臂以來，輪椅與機械臂的組合獲得了廣泛關注，目前，荷蘭Exact Dynamics公司的MANUS手臂是安裝在輪椅上較成熟的一款機械臂，已有如VICTORIA、Raptor、FRIEND、由歐盟殘疾人及老年人技術計劃支持的M3S和FOCUS項目等多款基于MANUS的移動機械臂，此外，韓國等也對服務型移動機械臂進行研究，研制了移動機械臂和輪椅組合使用的KARES II等。在國內，也研發了多款服務型移動機械手，如清華大學的移動式護理機器人、上海交通大學與上海電氣集團合作開發的輪椅機械臂、哈爾濱工業大學開發的安裝在輪椅上的六自由度操作臂及面向助老助殘模塊化機械臂、東南大學研究的視覺引導助老服務機器人等。

目前，服務型移動機械手技術研究涉及體系結構、人機交互、運動規劃、運動控制等關鍵技術，而人機交互和運動規劃毫無疑問是上述研究的重點內容，這是因為移動機械手或機器人服務的對象為缺失了部分行動能力的運動障礙人士，人機交互方式選擇直接影響人與機器溝通交流的效果和效率，同時，服務型移動機械臂工作環境多為存在動態障礙物的非結構化環境，運動規劃策略的優劣直接關系到系統運行的安全性，以及執行效率的高低；從已有的研究成果來看，人機交互方式仍多采用以“機器主導”的肢體控制方式，如鼠標、鍵盤、語音等，但對于腦與外周神經肌肉通路受損的病人，就無法驅動以上的移動機械手，對服務型移動機械手的研究提出了新的挑戰；而運動規劃也多以完成預定操作的傳統二值控制方式為主，難以滿足特定環境與特定人群的實際需要。

發明內容

本發明提供了一種服務型移動機械手系統，以眼電信號與頭部運動信息實現目標物體的空間定位與位置估計，并在此基礎上形成移動機械手的運動規劃；采用運動想象腦電信號實現移動機械臂的遠距離目標接近；基于腦電信號與視覺圖像信息形成目標選擇及人與機械臂手眼協調運動，實現近距離目標物體的精確對準，有效提高了人與移動機械手的運動協調性。

為解決上述技術問題，本發明提供一種服務型移動機械手系統，包括電動輪椅1、頭部信息采集系統2、三關節機械臂3、主控計算機4、攝像機5、夾持器6、支撐板7、人機交互系統8、移動機械手決策控制系統9、人體視覺空間定位與位置估計系統10組成；所述攝像機5安裝于三關節機械臂3前端上部，所述夾持器6安裝于三關節機械臂3前端面；所述主控計算機4通過支撐板7安裝于電動輪椅1前端上部；所述人機交互系統8由主控計算機4、頭部信息采集系統2與攝像機5組成，能選擇與鎖定目標物體；所述移動機械手決策控制系統9由手眼協調運動規劃9a與移動機械手運動控制9b組成，實現對移動機械手各自由度驅動；所述的人體視覺空間定位與位置估計系統10由眼電信號采集與處理8c、頭勢信號采集與處理8d組成，通過測量與融合人體眼睛注視點及頭部位置信息，實現目標物體在服務型移動機械手空間內的定位與位置估計。

所述的服務型移動機械手由雙輪差動驅動的電動輪椅1及安裝于電動輪椅1左前部的三關節機械臂3、夾持器6組成，具有5自由度，各自由度及夾持器由伺服電機驅動；所述的攝像機5采用雙目攝像機Eye-in-hand方式采集目標物體圖像信息。

所述的頭部信息采集系統2由腦電信號、眼電信號和頭勢信號采集傳感器組成。