[发明专利]基于多源传感器的搬运装配全身外骨骼系统及控制方法有效
申请号: | 202110278782.5 | 申请日: | 2021-03-16 |
公开(公告)号: | CN113043248B | 公开(公告)日: | 2022-03-11 |
发明(设计)人: | 吴晗;王斐 | 申请(专利权)人: | 东北大学 |
主分类号: | B25J9/00 | 分类号: | B25J9/00;B25J9/16;A61B5/389;A61B5/103;A61B5/11 |
代理公司: | 大连理工大学专利中心 21200 | 代理人: | 陈玲玉 |
地址: | 110819 辽宁*** | 国省代码: | 辽宁;21 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 基于 传感器 搬运 装配 身外 骨骼 系统 控制 方法 | ||
1.一种基于多源传感器的搬运装配全身外骨骼系统,其特征在于,包括中央控制器,置于全身外骨骼背部控制箱内,用于处理底层传感器发来的数据信息;
足底压力信息采集模块,置于全身外骨骼脚部,用于判断外骨骼行走中的步态相序;
肌电信号采集模块,置于穿戴者上肢和下肢,用于与足底信息采集模块共同判断外骨骼行走中的步态相序;
姿态信息采集模块,置于穿戴者下肢,用于采集穿戴者关节角度步态信息,为外骨骼机器人提供运动信息输入;
交互力采集模块,置于外骨骼下肢,用于检测外骨骼与穿戴者人机之间交互力,判断人机之间的柔顺性;
位置定位模块,置于装配孔四周,用于实施检测外骨骼与装配孔之间的位置信息,完成精确定位;
所述中央控制器,通过采用CAN总线通讯方式与足底压力信息采集模块与肌电信号采集模块进行实时数据传输,将获得的信息处理后作为控制信号发送给下肢姿态信息采集模块;下肢姿态信息采集模块获取到控制信号后,采集穿戴者的下肢信息再反馈给中央控制器,中央控制器将获得的穿戴者速度、加速度、关节角度信息处理后发送给外骨骼上的驱动电机,驱动电机配合穿戴者一齐运动;在外骨骼与穿戴者运动过程中,交互力采集模块实时检测人机间的运动产生的交互力,并反馈给中央控制器,采用导纳控制算法,弥补人机之间的位置差;在装配过程中,中央控制器接收上肢肌电信号信息,使上肢自由跟随穿戴者上肢运动;在装配地点,接收来自于装配孔的位置信息,并采用运动学算法,实现精确装配任务;
足底压力信息采集模块用于捕获穿戴者初始运动信息,实现外骨骼立即跟随穿戴者决策运动控制;足底压力信息采集模块嵌入于外骨骼鞋内,由足底压力应变片传感器和压力应变片变送单元构成;足底压力应变片变送单元采用全桥电路检测压力传感器的电阻变化,使用二阶低通滤波电路对电压信号进行放大和滤波;
在穿戴者下肢安放肌电信号采集模块,肌电信号采集模块识别人体运动信息,区分穿戴者无意的抖动和有意识运用的肌电信号信息;肌电信号采集模块由Ag/AgCl电极、前置放大电路、工频陷波电路、滤波电路、二级放大电路和电压抬升电路构成,通过CAN总线的通讯方式传输给中央控制器;
中央控制器接收足底压力信息和下肢肌电信号信息后,立刻接收下肢姿态信息;姿态信息采集模块通过惯性传感器实时采集穿戴者肢体运动信息,并将运动信息通过CAN总线的方式传输给中央控制器;运动信息包括人体肢体的角度信息、速度信息以及加速度信息,实现外骨骼在运动过程中的运动初始运动输入;
采用交互力采集模块实时采集人机之间的交互力信息;交互力采集模块主要由力传感器构成,通过CAN总线的方式传输给中央控制器,用于实现人机之间协作控制补偿;
在装配过程中,位置定位模块主要由激光传感器构成,用于采集外骨骼精确装配中的外骨骼实时位置信息,将采集到的信息采用网络传送给外骨骼中央控制器,实现精确定位装配控制,并负责实时监控在装配过程中外骨骼位置信息以及装配孔的位置信息;
在搬起的过程中,外骨骼上肢采用精度更高的肌电控制,分别采集穿戴者上肢肘关节、肩关节肌群的表面肌电信号,并将肌电信号信息采用CAN总线的方式传输给中央控制器,用于实现外骨骼识别穿戴者在搬运装配过程中外骨骼角度信号运动控制。
2.权利要求1所述的基于多源传感器的搬运装配全身外骨骼系统的控制方法,其特征在于,控制方法分为两部分:外骨骼托举搬运控制方法和外骨骼固定装配控制方法;
第一部分:外骨骼托举搬运控制方法,包括步骤如下:
步骤1:穿戴者穿戴全身外骨骼完毕,中央控制器工控机通过肌电信号采集模块和足底压力信息采集模块采集穿戴者的腿部运动状态信息,完成信号处理生成决策指令作为外骨骼搬运移动开始的输入决策控制信号;
步骤1.1:肌电信号采集模块实时采集穿戴者腿部肌肉电信号的信息,去噪后将数据发送给中央控制器,设定相应的阈值,肌电信息大于阈值后,中央控制器给足底压力模块发送接收信息指令;
步骤1.2:足底压力信息模块收到中央控制器的指令后,将实时采集的穿戴者的人体足部的足前、足中、足后三组数据打包发送给中央控制器,中央控制器采用模糊控制算法对足前信息、足中信息、足后信息以及肌肉电信号信息进行融合处理,最终得到外骨骼的状态相位,输出最终的运动控制决策信号;
步骤2:中央控制器得到运动控制决策信号后,给固定于穿戴者下半身的姿态信息测量模块发送接收指令实时接收穿戴者下肢的运动角度、速度、加速度信息,中央控制器工控机结合离线步态数据库中的既定数据曲线库,导出一条最快的、最合适的穿戴者跟踪信号曲线,分别作为外骨骼髋关节、膝关节对应系统期望输入曲线;
中央控制器通过交互力采集模块实时采集运动过程中的人机下肢之间的交互力,将人机交互力信息导入到导纳控制模型中,输出补偿位置信息,最终得到外骨骼运动过程中髋关节、膝关节的最终期望输入角度;
第二部分:外骨骼搬起装配控制部分
步骤3:外骨骼在搬起配件时,将外骨骼下肢进行软件锁死,中央控制器不接收来自下肢传感器的数据;中央控制器通过上肢肌电信号模块采集穿戴者上肢大臂3块肌肉的表面肌电信号,将数据进行预处理并提取特征值,将特征量引入识别模型中实现对关节姿态角度的实时预测;
步骤3.1:引入前置放大电路对肌电信号进行放大,对硬件电路上设计高通和低通滤波电路,完成对信号的滤波处理;
步骤3.2:中央控制器实时接收上肢肌电采集模块采集人体上肢肌肉电信号信息,并且搭建基于肌电信号的LSTM在线关节角度估计模型,将提取出的特征输入模型中,实时预测肩、肘关节期望运动角度;
步骤4:外骨骼往装配地点进行运动,中央控制器不断采集外骨骼位置信息以及目标装配地点位置信息,对路径做出规划指导,并实时显示当前位置与目标位置;待外骨骼运动到目标位置后,中央控制器将外骨骼下肢设置为底座工作模式,根据配重大小计算出整体外骨骼平衡时的髋膝角度,并保持该角度;此时外骨骼的工作方式将从搬运工作方式转换为装配工作方式;
步骤5:转换为装配工作模式后,首先进行装配粗定位,上肢外骨骼双臂同步运动到孔径位置点后,中央控制器通过激光传感器采集的位置信息进行精确定位,利用运动学中的逆运动学原理,在中央控制器工控机解算出肩关节、肘关节需运动角度,作为外骨骼上肢关节运动的最终期望角度;
步骤6:外骨骼上肢机械手臂实现精确定位后,打开工件固定装置,让放置在U型槽上的轴进行装配,利用槽上的电动轴承装置,穿戴者辅助装配轴的运动,完成最终的轴孔装配任务。
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