[發(fā)明專(zhuān)利]基于多源傳感器的搬運(yùn)裝配全身外骨骼系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110278782.5
• 申請(qǐng)日: 2021-03-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113043248B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳晗;王斐
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B25J9/00
• 分類(lèi)號(hào): B25J9/00;B25J9/16;A61B5/389;A61B5/103;A61B5/11
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專(zhuān)利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

1.一種基于多源傳感器的搬運(yùn)裝配全身外骨骼系統(tǒng)，其特征在于，包括中央控制器，置于全身外骨骼背部控制箱內(nèi)，用于處理底層傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息；

足底壓力信息采集模塊，置于全身外骨骼腳部，用于判斷外骨骼行走中的步態(tài)相序；

肌電信號(hào)采集模塊，置于穿戴者上肢和下肢，用于與足底信息采集模塊共同判斷外骨骼行走中的步態(tài)相序；

姿態(tài)信息采集模塊，置于穿戴者下肢，用于采集穿戴者關(guān)節(jié)角度步態(tài)信息，為外骨骼機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)信息輸入；

交互力采集模塊，置于外骨骼下肢，用于檢測(cè)外骨骼與穿戴者人機(jī)之間交互力，判斷人機(jī)之間的柔順性；

位置定位模塊，置于裝配孔四周，用于實(shí)施檢測(cè)外骨骼與裝配孔之間的位置信息，完成精確定位；

所述中央控制器，通過(guò)采用CAN總線通訊方式與足底壓力信息采集模塊與肌電信號(hào)采集模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，將獲得的信息處理后作為控制信號(hào)發(fā)送給下肢姿態(tài)信息采集模塊；下肢姿態(tài)信息采集模塊獲取到控制信號(hào)后，采集穿戴者的下肢信息再反饋給中央控制器，中央控制器將獲得的穿戴者速度、加速度、關(guān)節(jié)角度信息處理后發(fā)送給外骨骼上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合穿戴者一齊運(yùn)動(dòng)；在外骨骼與穿戴者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，交互力采集模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)人機(jī)間的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的交互力，并反饋給中央控制器，采用導(dǎo)納控制算法，彌補(bǔ)人機(jī)之間的位置差；在裝配過(guò)程中，中央控制器接收上肢肌電信號(hào)信息，使上肢自由跟隨穿戴者上肢運(yùn)動(dòng)；在裝配地點(diǎn)，接收來(lái)自于裝配孔的位置信息，并采用運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)精確裝配任務(wù)；

足底壓力信息采集模塊用于捕獲穿戴者初始運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)外骨骼立即跟隨穿戴者決策運(yùn)動(dòng)控制；足底壓力信息采集模塊嵌入于外骨骼鞋內(nèi)，由足底壓力應(yīng)變片傳感器和壓力應(yīng)變片變送單元構(gòu)成；足底壓力應(yīng)變片變送單元采用全橋電路檢測(cè)壓力傳感器的電阻變化，使用二階低通濾波電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大和濾波；

在穿戴者下肢安放肌電信號(hào)采集模塊，肌電信號(hào)采集模塊識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)信息，區(qū)分穿戴者無(wú)意的抖動(dòng)和有意識(shí)運(yùn)用的肌電信號(hào)信息；肌電信號(hào)采集模塊由Ag/AgCl電極、前置放大電路、工頻陷波電路、濾波電路、二級(jí)放大電路和電壓抬升電路構(gòu)成，通過(guò)CAN總線的通訊方式傳輸給中央控制器；

中央控制器接收足底壓力信息和下肢肌電信號(hào)信息后，立刻接收下肢姿態(tài)信息；姿態(tài)信息采集模塊通過(guò)慣性傳感器實(shí)時(shí)采集穿戴者肢體運(yùn)動(dòng)信息，并將運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)CAN總線的方式傳輸給中央控制器；運(yùn)動(dòng)信息包括人體肢體的角度信息、速度信息以及加速度信息，實(shí)現(xiàn)外骨骼在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)初始運(yùn)動(dòng)輸入；

采用交互力采集模塊實(shí)時(shí)采集人機(jī)之間的交互力信息；交互力采集模塊主要由力傳感器構(gòu)成，通過(guò)CAN總線的方式傳輸給中央控制器，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間協(xié)作控制補(bǔ)償；

在裝配過(guò)程中，位置定位模塊主要由激光傳感器構(gòu)成，用于采集外骨骼精確裝配中的外骨骼實(shí)時(shí)位置信息，將采集到的信息采用網(wǎng)絡(luò)傳送給外骨骼中央控制器，實(shí)現(xiàn)精確定位裝配控制，并負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控在裝配過(guò)程中外骨骼位置信息以及裝配孔的位置信息；

在搬起的過(guò)程中，外骨骼上肢采用精度更高的肌電控制，分別采集穿戴者上肢肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)肌群的表面肌電信號(hào)，并將肌電信號(hào)信息采用CAN總線的方式傳輸給中央控制器，用于實(shí)現(xiàn)外骨骼識(shí)別穿戴者在搬運(yùn)裝配過(guò)程中外骨骼角度信號(hào)運(yùn)動(dòng)控制。

2.權(quán)利要求1所述的基于多源傳感器的搬運(yùn)裝配全身外骨骼系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，控制方法分為兩部分：外骨骼托舉搬運(yùn)控制方法和外骨骼固定裝配控制方法；

第一部分：外骨骼托舉搬運(yùn)控制方法，包括步驟如下：

步驟1：穿戴者穿戴全身外骨骼完畢，中央控制器工控機(jī)通過(guò)肌電信號(hào)采集模塊和足底壓力信息采集模塊采集穿戴者的腿部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，完成信號(hào)處理生成決策指令作為外骨骼搬運(yùn)移動(dòng)開(kāi)始的輸入決策控制信號(hào)；

步驟1.1：肌電信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)采集穿戴者腿部肌肉電信號(hào)的信息，去噪后將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制器，設(shè)定相應(yīng)的閾值，肌電信息大于閾值后，中央控制器給足底壓力模塊發(fā)送接收信息指令；

步驟1.2：足底壓力信息模塊收到中央控制器的指令后，將實(shí)時(shí)采集的穿戴者的人體足部的足前、足中、足后三組數(shù)據(jù)打包發(fā)送給中央控制器，中央控制器采用模糊控制算法對(duì)足前信息、足中信息、足后信息以及肌肉電信號(hào)信息進(jìn)行融合處理，最終得到外骨骼的狀態(tài)相位，輸出最終的運(yùn)動(dòng)控制決策信號(hào)；

步驟2：中央控制器得到運(yùn)動(dòng)控制決策信號(hào)后，給固定于穿戴者下半身的姿態(tài)信息測(cè)量模塊發(fā)送接收指令實(shí)時(shí)接收穿戴者下肢的運(yùn)動(dòng)角度、速度、加速度信息，中央控制器工控機(jī)結(jié)合離線步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的既定數(shù)據(jù)曲線庫(kù)，導(dǎo)出一條最快的、最合適的穿戴者跟蹤信號(hào)曲線，分別作為外骨骼髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)期望輸入曲線；

中央控制器通過(guò)交互力采集模塊實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的人機(jī)下肢之間的交互力，將人機(jī)交互力信息導(dǎo)入到導(dǎo)納控制模型中，輸出補(bǔ)償位置信息，最終得到外骨骼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的最終期望輸入角度；

第二部分：外骨骼搬起裝配控制部分

步驟3：外骨骼在搬起配件時(shí)，將外骨骼下肢進(jìn)行軟件鎖死，中央控制器不接收來(lái)自下肢傳感器的數(shù)據(jù)；中央控制器通過(guò)上肢肌電信號(hào)模塊采集穿戴者上肢大臂3塊肌肉的表面肌電信號(hào)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并提取特征值，將特征量引入識(shí)別模型中實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)姿態(tài)角度的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)；

步驟3.1：引入前置放大電路對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)硬件電路上設(shè)計(jì)高通和低通濾波電路，完成對(duì)信號(hào)的濾波處理；

步驟3.2：中央控制器實(shí)時(shí)接收上肢肌電采集模塊采集人體上肢肌肉電信號(hào)信息，并且搭建基于肌電信號(hào)的LSTM在線關(guān)節(jié)角度估計(jì)模型，將提取出的特征輸入模型中，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)肩、肘關(guān)節(jié)期望運(yùn)動(dòng)角度；

步驟4：外骨骼往裝配地點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，中央控制器不斷采集外骨骼位置信息以及目標(biāo)裝配地點(diǎn)位置信息，對(duì)路徑做出規(guī)劃指導(dǎo)，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置與目標(biāo)位置；待外骨骼運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置后，中央控制器將外骨骼下肢設(shè)置為底座工作模式，根據(jù)配重大小計(jì)算出整體外骨骼平衡時(shí)的髖膝角度，并保持該角度；此時(shí)外骨骼的工作方式將從搬運(yùn)工作方式轉(zhuǎn)換為裝配工作方式；

步驟5：轉(zhuǎn)換為裝配工作模式后，首先進(jìn)行裝配粗定位，上肢外骨骼雙臂同步運(yùn)動(dòng)到孔徑位置點(diǎn)后，中央控制器通過(guò)激光傳感器采集的位置信息進(jìn)行精確定位，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)中的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，在中央控制器工控機(jī)解算出肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)需運(yùn)動(dòng)角度，作為外骨骼上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的最終期望角度；

步驟6：外骨骼上肢機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)精確定位后，打開(kāi)工件固定裝置，讓放置在U型槽上的軸進(jìn)行裝配，利用槽上的電動(dòng)軸承裝置，穿戴者輔助裝配軸的運(yùn)動(dòng)，完成最終的軸孔裝配任務(wù)。