[發(fā)明專利]一種站立及轉(zhuǎn)移輔助機(jī)器人及使用方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110291284.4
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN112932862B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王景川;吳銳凱;謝宇輝
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: A61G7/10
• 分類號: A61G7/10;A61H3/04
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

1.一種站立及轉(zhuǎn)移輔助機(jī)器人，其特征在于，包括控制模塊、抬升模塊、移動模塊、定位導(dǎo)航模塊以及對接模塊，其中：

所述定位導(dǎo)航模塊采集環(huán)境信息，并將采集的環(huán)境信息發(fā)送至控制模塊；

控制模塊根據(jù)所述環(huán)境信息規(guī)劃移動路徑，并控制移動模塊根據(jù)移動路徑運(yùn)動；

控制模塊控制抬升模塊按照設(shè)定的抬升軌跡進(jìn)行抬升；

對接模塊對接使用者或目標(biāo)位置；

所述抬升模塊的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)通過基于生物力學(xué)仿真分析的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計得到；

所述生物力學(xué)仿真分析為在仿真環(huán)境中模擬使用者在機(jī)器人的輔助下站起這一過程，計算這一過程中使用者下肢的肌肉力輸出，改變機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)和人體模型的身高和體重等人體測量學(xué)參數(shù)不斷重復(fù)這一模擬過程，統(tǒng)計不同機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)和人體模型尺寸下使用者下肢的肌肉力輸出，找到能夠最小化使用者下肢的肌肉力輸出的一組機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)，參照這組參數(shù)設(shè)計的機(jī)構(gòu)能夠在抬升使用者的過程中最小化使用者的下肢肌力輸出，減少使用者的肌肉能力消耗；

所述基于生物力學(xué)仿真分析的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟如下：

步驟1：在仿真環(huán)境中搭建人機(jī)耦合模型；

步驟2：選取評價指標(biāo)和確定目標(biāo)函數(shù)；

步驟3：確定設(shè)計變量及設(shè)計變量約束范圍；

步驟4：在設(shè)計變量約束范圍內(nèi)通過網(wǎng)格化搜索的方法得到使目標(biāo)函數(shù)取值最小的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；

步驟5：調(diào)整人體模型尺寸，得到其他人體尺寸下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，綜合評估，得到最優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù)尺寸；

所述步驟1還包含如下步驟：

步驟1.1：在仿真環(huán)境中建立人體全身模型，根據(jù)《中國成年人人體尺寸》國家標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整人體模型的尺寸為中國成年人人體尺寸中百分位為95cm的人體尺寸，身高為177.5cm，人體各體段的長度也做相應(yīng)的調(diào)整；

步驟1.2：將移乘搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型文件導(dǎo)入生物力學(xué)仿真環(huán)境中；

步驟1.3：設(shè)置機(jī)器人與人體模型的連接，考慮機(jī)器人與人體的接觸位置，調(diào)整人體模型的姿勢，通過軟件中的點接觸約束使人體模型手部與扶手2，胸部和腋下與胸部支撐墊1，腳部與腳踏板21保持接觸；

所述評價指標(biāo)包括股外側(cè)肌VL，股直肌RF，股內(nèi)側(cè)肌VM，脛前肌TA在機(jī)器人抬升人體過程中肌肉活動度的積分和，分別表示為A_VL，A_RF，A_VM，A_TA，所述目標(biāo)函數(shù)為通過主成分分析法計算得到的目標(biāo)函數(shù),在仿真環(huán)境中嘗試不同的機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)和人體模型尺寸將人體從坐姿轉(zhuǎn)換到站姿，記錄下A_VL，A_RF，A_VM，A_TA數(shù)據(jù)，通過主成分分析法提取記錄下的四塊肌肉活動度的積分和的主成分，并將主成分加權(quán)平均得到目標(biāo)函數(shù)A_total＝0.2573A_RF+0.3129A_VL+0.2714A_VM+0.1585A_TA。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的站立及轉(zhuǎn)移輔助機(jī)器人，其特征在于，所述抬升模塊包括：胸部支撐墊(1)、U型扶手(2)、上肢推桿(3)、上肢編碼器(4)、連桿(5)、立座(8)、抬升編碼器(9)、抬升推桿(10)以及腿部支撐板(13)，其中：

所述U型扶手(2)與胸部支撐墊(1)緊固連接；

所述胸部支撐墊(1)與連桿(5)通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連；

所述上肢編碼器(4)安裝在胸部支撐墊(1)與連桿(5)連接的關(guān)節(jié)上；

連桿(5)和胸部支撐墊(1)之間連接有上肢推桿(3)；

所述連桿(5)通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接在立座(8)上；

所述抬升編碼器(9)安裝于連桿(5)和立座(8)連接的關(guān)節(jié)上；

所述抬升推桿(10)連接在連桿(5)和立座(8)之間；

所述腿部支撐板(13)設(shè)置在立座(8)上；

所述上肢推桿(3)，上肢編碼器(4)，抬升編碼器(9)，抬升推桿(10)與控制模塊連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的站立及轉(zhuǎn)移輔助機(jī)器人，其特征在于，所述定位導(dǎo)航模塊包括導(dǎo)航傳感器(11)，所述導(dǎo)航傳感器(11)包括二維激光雷達(dá)、三維激光雷達(dá)、聲納測距傳感器以紅外測距傳感器中的任一種或任多種組合。