[发明专利]基于变刚度的外肢体机器人辅助支撑方法

说明书

本发明公开了一种基于变刚度的外肢体机器人辅助支撑方法，先获取表面肌电传感器和惯性传感器的数据；对惯性传感器的数据进行处理，判断穿戴者是否有操作意图；对表面肌电传感器的数据进行预处理，包括全波整流、低通滤波和归一化；预处理后的表面肌电信号用于穿戴者手臂的参考刚度估计；手臂参考刚度映射到外肢体机器人的阻抗控制模型中。该方法利用人体手臂刚度和机械臂刚度协调的方法，实现了人和外肢体在过顶支撑任务中的人机协同，可以减少任务中人员的投入。当穿戴者手臂刚度减少时，机械臂刚度增大，外肢体可以在操作者疲劳时产生更大的支撑力，有利于减小穿戴者的工作强度以及降低穿戴者疲劳受伤的风险。

技术领域

本发明属于穿戴机器人领域，具体涉及基于变刚度的外肢体机器人辅助支撑方法。

背景技术

随着人口老龄化趋势的迅速发展以及人们工作观念的转变，劳动力短缺问题逐渐凸显。国家统计局发布的《2020年农民工监测调查报告》显示，2020年全国农民工总量比去年减少517万人，下降1.8％，50岁以上农民工所占比重为26.4％，比上年提高1.8个百分点。因此，解决劳动力短缺问题、改善工作条件成为目前中国乃至世界发展需要解决的难题。随着机器人技术的进步，机器人在批量制造场景下已经得到了充分的应用，大规模应用机器人成为解决劳动力短缺问题的重要手段。因批量制造场景的工作特性，其工作专业化程度较高，工艺过程较为封闭，故在标准化、模块化的工作环境中可以有效提高效率。但在存在大量操作流程、工作强度大、灵活性要求高的作业任务，如过顶装配支撑等加工任务，由于其作业环境的限制，大型机械设备难以辅助工作，这时候往往需要两个人同时工作。除此之外，在过顶装配支撑任务中，工人必须将工件和部件提升到头顶位置，并将其固定在天花板或墙壁上，这些任务会导致人体因过度运动和重复性运动而受伤。外肢体机器人作为一种新颖的可穿戴式辅助作业机器人，可以作为人类的额外肢体与人协同作业，解决生活或工业上单人双手无法完成的操作任务。

目前常见的可穿戴式辅助机器人包括假肢和外骨骼机器人，假肢可以用来补偿人体缺失的运动技能，但是不可以增加穿戴者的工作空间；外骨骼机器人贴合穿戴者的肢体，通过关节处驱动装置为人体提供助力，但是会对穿戴者的肢体运动产生限制。外肢体机器人为穿戴者提供独立于自然肢体的机械肢体，穿戴方式多样，不会影响穿戴者本身的关节活动，可以提高穿戴者的工作空间和工作效率。可穿戴外肢体机器人可以辅助穿戴者完成环境受限、需要多人合作完成的复杂工作任务，其应用可以减少作业的人员投入，同时降低工作人员工作强度及疲劳受伤的风险。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了基于变刚度的外肢体机器人辅助支撑方法，利用人体手臂刚度和机械臂刚度协调的方法，实现了人和外肢体在过顶支撑任务中的人机协同，可以减少任务中人员的投入，当穿戴者手臂刚度减少时，机械臂刚度增大，外肢体可以在操作者疲劳时产生更大的支撑力，有利于减小穿戴者的工作强度以及降低穿戴者疲劳受伤的风险。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于变刚度的外肢体机器人辅助支撑方法，包括：

步骤1、实时获取放置于穿戴者手臂上的表面肌电传感器和惯性传感器的原始输出数据；

步骤2、对获取的惯性传感器数据进行处理，用于判断人体是否有操作意图，如果人体有操作意图，外肢体协助人体将物体支撑到需要的位置；

步骤3、当物体处于支撑状态后，对原始的表面肌电信号(surfaceElectromyography，sEMG)数据进行预处理，包括全波整流、低通滤波和归一化；

步骤4、预处理后的sEMG数据用于估计手臂的参考刚度；

步骤5、将人体手臂参考刚度映射到外肢体机器人的阻抗控制模型中。

进一步，步骤1所述的原始输出数据由程序自动地从表面肌电传感器和惯性传感器实时读取，其中表面肌电传感器放置于肱二头肌和肱三头肌这一对拮抗肌的位置，惯性传感器放置于人手臂的腕部。