专利名称：基于外骨骼人体姿态信息采集技术的遥控仿人机器人系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于外骨骼控制技术的仿人机器人系统。
背景技术：
21世纪将是非制造业的自动化发展的旺盛时期，如采掘、建筑、医疗、交通运输、 农业等等.这些行业的共同特点是工作无法在事先布置好的条件下进行，而且在进行过程中环境和工作的内容也可能随时发生变化，这就是所谓的非结构化。开发适应于非结构环境下工作的机器人仍将是机器人领域发展的一个长远方向.因此发展一种人机系统，把工况分析、判断及决策等高层活动由人来完成，低层由机器人完成，使人脱离危险的工作面， 或辅助人进行更精细的动作(如医疗机器人)是一种近期可行的，高效的解决方案。高级机器人即遥控机器人大都工作在非结构性环境中，因此我们有理由相信在可以预见的将来高级机器人将会有更高的研究价值和应用价值。目前，遥控机器人因其自由度相对较少，所以实现的功能都很固定单一。专利申请号为03M8108. X，名称为“仿人机器人遥控器”的专利申请，公开了一种仿人机器人的遥控器。键盘通过键盘接口与微处理器相连，微处理和调制解调器与天线相连。键盘发出控制信号，经由微处理器处理，最终由天线发出信号。该方案对多自由度的仿人机器人来说，涉及的操作键过多，同步性与实效性降低，并且给操作者带来了诸多的不便。
发明内容
为了克服现有遥控机器人自由度少、功能简单和实用性低等问题，本发明提供了一种基于外骨骼人体姿态信息采集技术的遥控仿人机器人系统，由外骨骼式人体姿态信息采集服和履带式仿人机器人分别对人体姿态信息进行提取和还原以实现操作者对机器人的遥控功能。此方案具有同步性高、动作精准等特点。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于外骨骼人体姿态信息采集技术的遥控仿人机器人系统，其特征在于包括一外骨骼式人体姿态信息采集服、一仿人机器人、动作识别模块、两个相同的无线通讯模块A、无线通讯模块B和机器人控制模块。动作识别模块与无线通讯模块A安装在外骨骼式人体姿态信息采集服上，无线通讯模块B、机器人控制模块和视频采集模块安装在仿人机器人身上。系统工作时，通过外骨骼式人体姿态信息采集服采集人体动作信息，并将其传给动作识别模块，动作识别模块对用户动作信息进行识别并通过无线通讯模块A将用户动作信息发送给无线通讯模块B，无线通讯模块B再将该动作信息传给机器人控制模块，仿人机器人则完成相关的动作。外骨骼式人体姿态信息采集服，包括头部固定器、头部姿态采集器、臂部姿态采集器、手部姿态采集器和背部固定器。其中头部固定器包括头部支架和头顶支架，头顶支架固定于头部支架上方，头部姿态采集器由水平电位器、竖直电位器、弹性连接片、固定支架一、固定轴、固定支架二、电位器支架和支架固定轴组成；电位器支架固定连接于头部支架后方，水平电位器与电位器支架固定连接，固定支架一一端与水平电位器固定连接、另一端与固定支架二固定连接，竖直电位器与固定支架二固定连接，固定轴与竖直电位器固定连接，弹性连接片上端与固定轴固定连接，弹性连接片下端与支架固定轴固定连接，支架固定轴固定连接在背部上。背部中间有肩部固定管，肩部固定管的左右两侧分别连接有两个肩部支撑管，两侧的结构对称，一侧的结构如下肩部支撑管通过联轴器与大臂伸缩管的上端安装有两个互相垂直的电位器。大臂伸缩管内部截面为矩形，大臂伸缩管内部套有方形滑动杆；大臂伸缩管下端固定连接有大臂波纹管，方形滑动杆在大臂伸缩管与大臂波纹管内，大臂波纹管下端与方形滑动杆下端固定连接。方形滑动杆可以在大臂伸缩管内部以及大臂波纹管内部滑动，但不能转动。大臂伸缩管的下端通过联轴器与小臂伸缩杆连接。小臂伸缩杆由小臂伸缩管一、 小臂伸缩管二和小臂波纹管组成，小臂伸缩管一下端固定连接有小臂波纹管，小臂伸缩管二在小臂伸缩管一与小臂波纹管内，小臂波纹管下端与小臂伸缩管二下端固定连接。滑轨与小臂平行并且等长，滑轨上端连接肘部环形套管，下端连接腕部固定管，滑轨长短可根据不同小臂长度进行调节。肘部环形套管上固定有带有环形孔的小臂套管支架，小臂伸缩管一穿过小臂套管支架的环形孔，使小臂伸缩管在小臂运动的过程中保持与小臂位置固定。腕部固定管为台阶形结构，台阶上面套有腕部环形套管，腕部环形套管与固定在腕部固定管外侧的同步轮通过皮带连接，同步轮与电位器同轴固定相连，同步轮可以带动电位器转动，当手腕沿小臂轴向转动时，腕部环形套管通过皮带带动同步轮转动，从而使电位器采集腕部沿小臂轴向转动的姿态信息。环形套管一侧固定有手部电位器，手部电位器通过联轴器与手指固定箍连接，当手腕沿小臂径向转动时，手指固定箍带动手部电位器转动，从而使手部电位器采集腕部沿小臂径向转动姿态信息。手指固定箍与装有弯曲度传感器的弹性塑料片连接，弹性塑料片可以随手掌弯曲，使弹性塑料片上面的弯曲度传感器采集手掌弯曲信息。所述的视频采集模块，通过无线通讯模块发送到外骨骼式人体姿态信息采集服视频眼镜上。作为本发明的优选方案，腰部为转台结构，其有益效果是可以使仿人机器人灵活地进行转身，扩大了机器人的运动范围。作为本发明的优选方案，履带式地盘上面设有方向控制杆，其有益效果是可以控制机器人向各方向运动，扩大了机器人的运动范围。作为本发明的优选方案，所述外骨骼式人体姿态信息采集服在肩部、腕部和背部增加尺寸调节功能，其有益效果是不同体型的操作人员使用。作为本发明的优选方案，所述外骨骼式人体姿态信息采集服在大臂和小臂处实现了伸缩功能，其有益效果是提高了人体动作采集的精准度，扩大了外骨骼式人体姿态信息采集服的运动范围。本发明工作时，具体过程如下用户将外骨骼式人体姿态信息采集服穿到身上并且进行各种动作，头部姿态采集器上的电位器采集头部的运动信息，臂部姿态上的电位器采集人体手臂肩关节、肘关节的运动信息，手部姿态采集器上的电位器负责采集腕部和手部的姿态信息，动作识别模块通过分析动作起始位置的各关节角度值、动作终止位置的各关节角度值、动作过程中各“关节角度-时间”比和动作过程中各关节角度的实时轨迹等信息对人体动作进行识别，并且将动作信息通过无线通讯模块传给机器人控制模块，机器人控制模块根据人体运动信息控制履带式仿人机器人进行各种动作。同时履带式仿人机器人头部的摄像头实时拍摄视频信息并将其通过无线通讯模块传送给视频眼镜。本发明的整体有益效果是1.外骨骼式人体姿态信息采集服使用可伸缩连杆结构，可调尺寸，外骨骼式人体姿态信息采集服适合不同身材用户使用。2、外骨骼式人体姿态信息采集服轻便且穿戴方便易携带，增大了用户的空间适用范围。3、外骨骼式人体姿态信息采集服可采集人体两个手臂和头部的姿态信息，共计16 自由度，增加了仿人机器人运动的精准性。
图1为本发明提供一种履带式仿人机器人整体结构示意图；图2为本发明提供一种外骨骼式人体姿态信息采集服正面示意图；图3为本发明提供一种外骨骼式人体姿态信息采集服侧面示意图；图4为本发明提供一种外骨骼式人体姿态信息采集服背面示意图；图5为本发明提供一种外骨骼式人体姿态信息采集服头部采集器示意图；图6为本发明提供一种外骨骼式人体姿态信息采集服背部固定器示意图；图7为本发明提供一种外骨骼式人体姿态信息采集服臂部姿态采集器示意图；图8为本发明提供一种外骨骼式人体姿态信息采集服手部姿态采集器示意图；图9为本发明提供一种外骨骼式人体姿态信息采集服手部姿态采集器细节示意图；图中1-履带底盘，2-方向控制杆，3-底盘后备箱，4-转台，5-主体躯干，6_右机械手臂，7-左机械手臂，8-颈部转台，9-摄像头，10-胸部机舱。图2至图5中11.1-头部支架，11. 2-锁紧螺丝，11. 3-头顶支架，12. 1-水平电位器，12. 2-竖直电位器，12. 3-弹性连接片，12. 4-固定支架一，12. 5-固定轴，12. 6-固定支架二，12. 7-电位器支架，12. 8-支架固定轴，13-视频眼镜，14. 1-指示灯，14. 2-固定板，14. 3-肩部支架。图6中15. 01-肩部支撑管，15. 02-电位器一，15. 03-电位器支架一，15. 04-电位器二，15. 05-联轴器一，15. 06-大臂伸缩管，15. 07-大臂波纹管波纹管，15. 08-联轴器二，15. 09-电位器三， 15. 10-电位器支架二，15. 11-电位器四，15. 12联轴器三，15. 13-小臂伸缩管一，15. 14小臂伸缩管二，15. 15-波纹三，15. 16-万向节，16. 01，伸缩滑轨，16. 02-腕部环形套管肘部环形套管，16. 03-小臂套管支架，16. 04-腕部固定管，16. 05-同步轮支架，16. 06-腕部电位器，16. 07-同步轮，16. 08-同步带，16. 09-电位器支架，16. 10-手部电位器，16. 11-腕部环形套管，16. 12-手指固定箍，16. 13-弹性塑料片，16. 14-小臂固定支架，16. 15-手掌支架。 图9中17. 1-固定杆，17. 2-固定板，17. 3-支架固定管，17. 4-控制盒，17. 5-滑杆支架， 17. 6-套管支架，17. 7-肩部固定管，17. 8-管卡，17. 9-螺丝，17. 10-支架固定轴，17. 11-管
具体实施例方式下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。装置实施例参照图1，本发明提供一种履带式仿人机器人整体结构，包括由履带底盘1、方向控制杆2和底盘后备箱3组成的行走机构，由转台4、主体躯干5、右机械手臂6、左机械手臂 7、颈部转台8、摄像头9和胸部机舱10组成的运动机构。参照图2，3，4，5，6为本发明的一种外骨骼式人体姿态信息采集服示意图，包括 头部固定器、头部姿态采集器、视频眼镜13、肩部固定器、臂部姿态采集器、手部姿态采集器和背部固定器。其中头部固定器由头部支架11. 1、锁紧螺丝11. 2和头顶支架11. 3组成，头顶支架11. 3固定连接于头部支架11. 1上方，锁紧螺丝11. 2位于头部支架11. 1前方。头部姿态采集器由水平电位器12. 1、竖直电位器12. 2、弹性连接片12. 3、固定支架一 12. 4、固定轴12. 5、固定支架二 12. 6、电位器支架12. 7和支架固定轴12. 8组成，电位器支架12. 7 固定连接于头部支架11. 1后方，水平电位器12. 1与电位器支架12. 7固定连接，固定支架一 12. 4 一端与水平电位器12. 1固定连接、另一端与固定支架二 12. 6固定连接，竖直电位器12. 2与固定支架二 12. 6固定连接，固定轴12. 5与竖直电位器12. 2固定连接，弹性连接片12. 3上端与固定轴12.5固定连接，下端与支架固定轴12.8固定连接，支架固定轴12.8 固定链接在背部支架上。肩部固定器由指示灯14. 1、固定板14. 2、肩部支架14. 3组成，肩部支架14. 3末端与固定板14. 2固定连接，指示灯14. 1与固定板14. 2固定连接。背部固定器由固定杆17. 1、固定板17. 2、支架固定管17. 3、控制器盒17. 4、滑杆支架17. 5、套管支架17. 6、肩部固定管17. 7、管卡一 17. 8、螺丝17. 9、支架固定轴17. 10和管卡二 17. 11组成，在固定板17. 2上安装有支架固定管17. 3和控制盒17. 4，在控制盒17. 4左右两侧固定连接有滑杆支架17. 5，套管支架17. 6通过螺丝17. 9与支架固定轴17. 10和滑杆支架17. 5 固定连接，套管支架17. 6通过管卡17. 8与肩部固定管17. 7固定连接，固定杆17. 1通过管卡二 17. 11和套管支架17. 6上方固定连接。参照图7为本发明的外骨骼式人体姿态信息采集服臂部姿态采集器示意图，包括肩部支撑管15. 01，电位器一 15. 02，电位器支架一 15. 03，电位器二 15. 04，联轴器一 15. 05,大臂伸缩铝管15. 06，大臂波纹管15. 07，联轴器二 15. 08，电位器三15. 09，电位器支架二 15. 10，电位器四15. 11，联轴器三15. 12，小臂伸缩管一 15. 13，小臂伸缩管二 15. 14，小臂波纹管15. 15，万向节15. 16。其中，肩部支撑管15. 01 (双侧)可套在肩部固定管17. 7内部，可适应不同肩宽的操作者调整末端长短。电位器一 15. 02通过联轴器垂直固定在肩部支撑管15. 01末端，电位器支架一 15. 03用于固定两个垂直安装的电位器15. 02和15. 04， 电位器一 15. 02与联轴器一 15. 05相连垂直固定在大臂伸缩管15. 06的外管末端，大臂伸缩管内部套接方形滑动杆，限制滑动杆只能在沿杆方向上下运动而不能自转，滑动杆外端套接大臂波纹管15.07。联轴器二 15. 08上端固定在大臂伸缩管末端，下端与电位器三 15. 09输出轴锁定。电位器支架二 15. 10连接电位器三15. 09和电位器15. 11两个构成肘部两自由度转动副，与联轴器三15. 12上端锁紧小臂电位器15. 11输出轴下端与小臂铝管一 15. 13垂直贴合。小臂铝管一 15. 13套接小臂铝管二 15. 14并与小臂波纹管15. 15构成小臂伸缩杆。小臂铝管二 15. 14末端与万向节15. 16前端相连，万向节15. 16末端连接在小臂连杆固定支架16. 14上。 参照图8与图9，为本发明的外骨骼式人体姿态信息采集服的手部姿态采集器示意图，包括伸缩滑轨16. 01、肘部环形套管16. 02、小臂套管支架16. 03、腕部固定管16. 04、 同步轮支架16. 05、腕部自转角位移采集电位器16. 06、同步轮16. 07、齿形带16. 08、电位器支架16. 09、手掌电位器16. 10、套管16. 11、手指固定箍16. 12、弹性塑料片16. 13、小臂连杆固定支架16. 14、手掌支架16. 15.其中，伸缩滑轨16. 01平行小臂120度等分安装，伸缩滑轨16. 01靠近肘部一端与肘部环形套管16. 02固定，肘部环形套管锁紧操作者小臂靠近肘部一端。小臂套管支架16. 03垂直固定在小臂固定支架16. 14上并可以沿中心轴自由转动。 伸缩滑轨16. 01末端与腕部固定管16. 04固定。腕部固定管16. 04为套筒阶梯式结构，靠近腕部一端套接腕部套管16. 11，腕部套管16. 11可套在腕部固定管16. 04上绕圆管中心轴自由转动。同步轮支架16. 05固定在腕部16. 04切面上，用于固定腕部电位器16. 06。同步轮16. 07固结于电位器16. 06输出轴上。同步轮16. 07与同步带16. 08和腕部套管16. 11 共同构成一个两轮链轮结构。电位器支架16. 09固定在腕部套管16. 11两侧。16. 10固定在电位器支架16. 09的末端圆孔上，其输出轴与手掌支架16. 15固定。手指固定箍16. 12 固定在手掌支架16. 15上，带动手掌电位器16. 10转动。弹性塑料片16. 13固定在手指固定箍16. 12上。
权利要求
1. 一种基于外骨骼人体姿态信息采集技术的遥控仿人机器人系统，其特征在于包括一外骨骼式人体姿态信息采集服、一仿人机器人和动作识别模块、两个相同的无线通讯模块A、无线通讯模块B和机器人控制模块；动作识别模块与无线通讯模块A分别安装在外骨骼式人体姿态信息采集服上，无线通讯模块B、机器人控制模块和视频采集模块安装在仿人机器人身上；系统工作时，通过外骨骼式人体姿态信息采集服采集人体动作信息，并将其传给动作识别模块，动作识别模块对用户动作信息进行识别并通过无线通讯模块A将用户动作信息发送给无线通讯模块B，无线通讯模块B再将该动作信息传给机器人控制模块，仿人机器人则完成相关的动作；外骨骼式人体姿态信息采集服，包括头部固定器、头部姿态采集器、臂部姿态采集器、 手部姿态采集器和背部固定器；其中头部固定器包括头部支架和头顶支架，头顶支架固定于头部支架上方，头部姿态采集器由水平电位器、竖直电位器、弹性连接片、固定支架一、固定轴、固定支架二、电位器支架和支架固定轴组成；电位器支架固定连接于头部支架后方，水平电位器与电位器支架固定连接，固定支架一一端与水平电位器固定连接、另一端与固定支架二固定连接，竖直电位器与固定支架二固定连接，固定轴与竖直电位器固定连接，弹性连接片上端与固定轴固定连接，弹性连接片下端与支架固定轴固定连接，支架固定轴固定连接在背部上；背部中间有肩部固定管，肩部固定管的左右两侧分别连接有两个肩部支撑管，两侧的结构对称，一侧的结构如下肩部支撑管通过联轴器与大臂伸缩管的上端安装有两个互相垂直的电位器；大臂伸缩管内部截面为矩形，大臂伸缩管内部套有方形滑动杆；大臂伸缩管下端固定连接有大臂波纹管，方形滑动杆在大臂伸缩管与大臂波纹管内，大臂波纹管下端与方形滑动杆下端固定连接；大臂伸缩管的下端通过联轴器与小臂伸缩杆连接；小臂伸缩杆由小臂伸缩管一、小臂伸缩管二和小臂波纹管组成，小臂伸缩管一下端固定连接有小臂波纹管，小臂伸缩管二在小臂伸缩管一与小臂波纹管内，小臂波纹管下端与小臂伸缩管二下端固定连接；滑轨与小臂平行并且等长，滑轨上端连接肘部环形套管，下端连接腕部固定管，肘部环形套管上固定有带有环形孔的小臂套管支架，小臂伸缩管一穿过小臂套管支架的环形孔， 腕部固定管为台阶形结构，台阶上面套有腕部环形套管，腕部环形套管与固定在腕部固定管外侧的同步轮通过皮带连接，同步轮与电位器同轴固定相连，环形套管一侧固定有手部电位器，手部电位器通过联轴器与手指固定箍连接，手指固定箍与装有弯曲度传感器的弹性塑料片连接。
全文摘要
基于外骨骼人体姿态信息采集技术的遥控仿人机器人系统属于机器人技术领域，具体涉及一种基于外骨骼控制技术的仿人机器人系统。仿人机器人缺少下身自由度，无法模仿人类下肢动作。外骨骼式人体姿态信息采集服缺少十根手指的姿态采集装置。本发明外骨骼式人体姿态信息采集服由用户穿在身上，通过传感器动作采集模块采集人体动作信息。人体的动作信息通过无线通讯模块发送给机器人控制模块控制仿人机器人则进行相应的动作操作。本发明适合不同身材用户使用，仿人机器人可实时再现共计16个自由度的人体上身动作。
文档编号B25J19/00GK102229146SQ20111010759
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者孙荣毅, 左国玉, 李彤, 杨柏洁, 王凯, 魏亚峰 申请人:北京工业大学