[發明專利]一種觸覺感知式可穿戴上肢外骨骼無人機控制系統及方法

有效

• 申請號: 201811527615.4
• 申請日: 2018-12-13
• 公開（公告）號: CN109521784B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 尹選春;王文鑫;文晟;張建桃;盧玉華;蘭玉彬;吳嬋;沈寧文;林耿純
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05B19/042
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 江金城;楊曉松

1.一種觸覺感知式可穿戴上肢外骨骼無人機控制系統，其特征在于，包括：

一單片機，連接電機進行指令輸入，驅動電機以一定的速度轉動；

一壓力傳感器，獲取操控者發出的力信號，根據施力信號，生成相應的電機驅動信號；

一編碼器，安裝在電機輸出軸，采集輸出信息，根據輸出信號，使電機控制機械結構運動，進而帶動外骨骼作相應的運動；

若干電機，用以運動輔助，建立無人機安全飛行等級與電機輸出上肢運動輔助力關系，從而使無人機遙操控者通過感知上肢運動輔助力的強弱，感知獲取無人機飛行的安全等級，實現觸覺感知式無人機飛行控制；

一數據庫，經過大量用戶穿戴上肢外骨骼去進行相應的運動獲取訓練樣本和訓練數據，實驗者執行相應的動作，獲取對應的數據分析和特征參數，包括穿戴者上臂、前臂、肘部、腕部的姿態信息，穿戴者肘部的關節角度信息；收集不同實驗者在相同、不同環境下的實驗數據分析，獲取各特征參數的范圍；

所述編碼器分別設置于上肢外骨骼肘部和前臂位置，用于實時獲取穿戴者肘關節角度信息、肘關節和前臂的位移信息；

所述電機分別設置于上臂和前臂位置，用于對肘關節的轉動提供輔助力，同時起到調整關節轉動速度的作用；

所述壓力傳感器分別設置于前臂和腕部位置，用于實時獲取穿戴者手臂的交互力信息，即上肢外骨骼提供給穿戴者的力的大小；

所述單片機接受所述編碼器、壓力傳感器、電機發送的采集信息，進行過濾、整理和計算后，得到穿戴者的相關特征參數，將其與數據庫中存儲的特征參數進行匹配對比，明確操控者的運動意圖，確定從端無人機飛行所需特征參數的大小；

整個運轉過程通過各傳感器獲得節點的反饋信號，根據反饋信號實時調整驅動信號，直至反饋信號與驅動信號相匹配，形成閉環回路系統。

2.一種觸覺感知式可穿戴上肢外骨骼無人機控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S1：利用單片機控制電機以一定速度轉動，壓力傳感器獲取力變化，產生相應的驅動信號，進而帶動外骨骼肘關節和腕關節轉動；關節角度和位移的變化作為編碼器的輸入量，對關節角度和位移的變化進行循環控制；

步驟S2：分別對編碼器、電機、應變片進行信號采集，并傳輸到處理器，處理器進行過濾后提取，經過預處理的壓力電信號，經放大、整理后帶入算法，得出上肢運動方向和速度，通過單片機采集分析，驅動電機作相應轉動；

步驟S3：外骨骼在運轉過程中，帶動肘關節和腕關節進行運動，進而獲得節點的反饋信號并反饋至處理模塊獲得差值，根據差值來調整驅動信號和反饋信號，直到兩者相匹配；當施力信號增大時，增大驅動信號的增量；當施力信號減小時，減小驅動信號的增量；當施力信號為零時，設置驅動信號位零；

步驟S4：與電機同軸的編碼器輸出相應脈沖，不同位置編碼器和脈沖數量影響無人機的飛行速度和飛行角度；最終，單片機采集編碼器的電脈沖輸出進行分析得出對應的無人機飛行命令，并將信號整理，傳輸給遠端無人機，進行無人機的啟動、停止的飛行姿態控制。

3.根據權利要求2所述的觸覺感知式可穿戴上肢外骨骼無人機控制方法，其特征在于，所述步驟S1還包括操控者穿戴外骨骼機器人部件，初始化系統，通過用戶界面輸入穿戴者的相關基礎信息，進行建檔存儲。

4.根據權利要求2所述的觸覺感知式可穿戴上肢外骨骼無人機控制方法，其特征在于，所述步驟S2還包括對上肢外骨骼運動情況與無人機飛行姿態控制進行定義；編碼器安裝在外骨骼肘部和腕部，終端采集編碼器電脈沖進行分析得出對應無人機的飛行命令，傳輸給遠端無人機。

5.根據權利要求2所述的觸覺感知式可穿戴上肢外骨骼無人機控制方法，其特征在于，所述步驟S3還包括通過調節輸入電機的信號，控制電機輸出轉速的變化，調整關節轉動速度；該外骨骼遠程操控無人機系統，通過雙臂運動、肘關節轉動來控制從端無人機的飛行姿態，前后輸入位移和角度的不同，使得編碼器輸出脈沖相位差和脈沖數量不同，以此來改變關節處的轉動速度。

6.根據權利要求2所述的觸覺感知式可穿戴上肢外骨骼無人機控制方法，其特征在于，所述步驟S4還包括設定遠端無人機起飛的最小動力；當壓力超過該值時，無人機緩慢起飛；壓力在一定范圍內或驟降時，無人機保持飛行姿態；當壓力低于無人機起飛壓力并開始緩慢減小時，遠端無人機開始緩慢降落；如此往復運動，構成閉環回路系統。