本实用新型涉及移乘护理机器人技术领域，具体涉及一种双臂移乘机器人模拟实验平台及其测试方法。该方法用于解决双臂移乘机器人抱起不同人体时人体舒适度和双臂平衡之间的问题。
背景技术：
随着人口老龄化程度逐渐加剧，失能、半失能老人的生活护理需求日益增长。护理主要包括进食服务、移乘搬运以及个人卫生清洁等生活照顾。其中，移乘搬运是指把行动不便的被护理人从床上转移到轮椅，或从轮椅转移到床上、卫生间等体力劳动。目前，无论是居家护理还是在医院、养老院等护理机构，移乘搬运基本都是通过人工实现的，这极大的增加了护理人员的负担。移乘护理设备目前主要有床椅一体化多功能护理床、移乘护理机器人、双臂移乘机器人三种，其功能和适用对象范围依次递增。
在双臂移乘护理机器人的研究中，如何保证机器人护理过程中体型不同的被护理人在双臂上的平衡和安全，以及如何提高被护理人在双臂上的舒适度，这两个方面的研究更是尤为重要。为解决上述问题，其关键技术包括被护理人的姿态识别和机器人双臂运动轨迹的规划等方面。
对于被护理人的姿态识别，现有的姿态识别系统多数使用的是通过摄像头或微软kinect采集人体图像的视觉信息采集方法。由于人体结构的复杂性，在进行图像处理时产生数据处理量过大、识别时间过长、识别精度偏低等问题。同时，在双臂移乘护理机器人上使用基于视觉的姿态识别系统时，其摄像头需要安装机器人头部或头部附近，这样便产生了摄像头图像采集的盲区，极大的降低了对于被护理人的姿态识别精度。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种双臂移乘机器人模拟实验平台及其测试方法。该平台利用压力传感器、工程皮肤和肌电传感器结合的多传感器融合方法采集被护理人横躺于双臂上的姿态，同时使用脑电波仪和肌电传感器采集人体大脑和肌肉的电信号，判断人体的舒适度。该方法用于测试不同人体横躺于所述平台中的所述双臂上时，人体舒适度与两个机器臂之间相对位置的关系，并通过验证与改进人体模型，使得在输入不同的人体模型参数的情况下，双臂可以满足被横抱人体的动平衡、安全度与舒适度等要求。其中，所述双臂之间的相对距离可在以手臂方向为法线的竖直平面内调整，双臂各有两个自由度。
本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种双臂移乘机器人模拟实验平台，其特征在于该平台包括由左手臂和右手臂构成的末端执行机构、控制系统、脑电波仪、肌电传感器，左右两个手臂的轴线平行，都能在垂直轴线的竖直平面内做平面运动，即每个手臂在竖直平面内都具有两个自由度，分别为上下平动和左右平动；两个手臂在垂直轴线的竖直平面内的两自由度平动分别由相应的电机执行；在左手臂和右手臂上分别附有左臂工程皮肤和右臂工程皮肤，两个手臂的前后位置均安装有用于检测手臂所承受压力大小的压力传感器，
所述控制系统包括工控机和PMAC多轴运动控制卡，工控机与PMAC多轴运动控制卡通过网线连接，PMAC多轴运动控制卡连接多个伺服驱动器，伺服驱动器连接控制手臂运动的电机，工控机通过无线网连接脑电波仪和肌电传感器，压力传感器通过压力放大器及USB数据采集卡与工控机连接，工程皮肤通过相应的嵌入式采集板与工控机的串口连接；在工控机上还连接有显示器，工程皮肤用于采集受试者横躺于双臂之间时受试者与双臂间的接触位置和该接触位置所对应的压力大小，并以压力云图的方式显示在显示器中；
所述脑电波仪佩戴在受试者头部，所述肌电传感器配戴在受试者的腰部、腹部、背部和大腿内侧。
一种双臂移乘机器人模拟实验平台的测试方法，该方法使用上述的实验平台，该方法的步骤是：
第一步、测试前的准备：连接设备，将脑电波仪佩戴在受试者头部，用于采集受试者在测试过程中的脑电波信息，判断受试者的反应；并且在受试者身体的腰部、腹部、背部和大腿内侧配有肌电传感器，用于检测受试者肌肉的紧张程度；
第二步、静态测试：测试时，在初始人体模型的基础上，输入受试者的体型参数，得出对应人体所需的机器人双臂的相对位置关系、双臂运动轨迹、运动速度和运动路径补偿值，在确保双臂的相对位置的条件下双臂下降至最低点，此时受试者登上实验平台，并横躺于左手臂和右手臂之间，记录此时压力传感器的信息；在此基础上，缓慢调节左手臂和右手臂之间的相对位置，并记录受试者肌电传感器的信息，得到人体四肢的运动状态，并使肌肉处于松弛状态；同时采集脑电波的信息，确定受试者的大脑紧张程度；综合肌电传感器和脑电波仪的信息反馈，判断受试者处于最放松和舒适的状态，记录此时左手臂和右手臂的位置关系，并记录四个压力传感器的信息；
第三步、动态测试：在上述基础上，受试者横躺于左手臂和右手臂上做出相应的动作，实验平台测试在人动作的条件下的自平衡能力；当受试者动作时，左臂工程皮肤和右臂工程皮肤的压力云图产生相应的变化，控制系统根据压力云图的变化，反推出受试者的姿态和变化趋势，控制四个电机转动，从而控制左手臂和右手臂做出相应的动作，保证受试者在双臂上的安全；在每次动作的过程后，持续记录佩戴在受试者身体上的肌电传感器和脑电波仪的信息，判断在整个动作过程中人体的运动状态、放松程度和安全度；
第四步、完善人体模型：在完成上述过程后，根据实验过程中采集和记录的传感器信息、双臂相对位置、双臂运动轨迹、运动速度和运动路径补偿值信息，验证初始人体模型是否符合该受试者的使用要求，如果不满足要求，将实验过程中采集的数据替换模型数据，然后多次更换受试者，重复上述实验步骤，在获得大量数据后，优化初始人体模型参数，确定出相对最优的人体模型。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型实验平台在设计时包含了脑电波仪和工程皮肤(工程皮肤,又名阵列式电容压力传感器，其原理为：假定传感器为平铺状态，当人体躺在传感器上时，在人体与传感器的接触部分，由于不同接触位置力的大小不同，因此可以采集出整个接触部分的力信息，并通过信息处理得出一个与接触部分形状相同压力云图，用于反应上述信息)。脑电波仪由受试人佩戴，可以在测试过程中采集脑电波信号，判定人体兴奋或者紧张；工程皮肤附着在双臂横抱机器人的手臂上，当受试人被抱起时，人体与手臂的接触位置便形成形状相同的压力云图，根据力的大小、形状和位置等信息，控制系统反推出人体的姿态，并控制双臂动作，保持动平衡。
本实用新型测试方法中受试者在横躺于本平台上后，通过信息采集，确定对于不同体型(包括身高、体重、性别与其他主要体型特征)的人体的舒适度、安全性和动平衡所需要的双臂相对位置、双臂运动轨迹和运动路径补偿值。同时，验证原有人体模型的可靠性。并在原有人体模型的基础上，在经过大量受试者的数据采集后，不断完善与补偿人体模型。最终达到的效果如下，对于任何一个人体，在输入其体型特征后，机器人都可以计算出对应人体参数所需要的机器人运动数据(即双臂相对位置、双臂运动轨迹和运动路径补偿值等)。
附图说明
图1为本实用新型双臂移乘机器人模拟实验平台的末端执行机构的整体结构示意图；
图2为本实用新型双臂移乘机器人模拟实验平台的测试方法的流程图；
图3为本实用新型双臂移乘机器人模拟实验平台的结构框图；
1-左手臂，2-左臂工程皮肤，3-右手臂，4-右臂工程皮肤，5-右臂竖直电机，6-左臂水平电机，7-右臂水平电机，8-左臂竖直电机，9-压力传感器，10-工控机，11-PMAC多轴运动控制卡，12-伺服驱动器，13-嵌入式采集板，14-USB数据采集卡，15-压力放大器，16-脑电波仪，17-肌电传感器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本实用新型，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本实用新型双臂移乘机器人模拟实验平台(简称平台或实验平台)包括由左手臂1和右手臂3构成的末端执行机构、控制系统、脑电波仪16、肌电传感器17，左右两个手臂的轴线平行，都能在垂直轴线的竖直平面内做平面运动，即每个手臂在竖直平面内都具有两个自由度，分别为上下平动和左右平动；两个手臂在垂直轴线的竖直平面内的两自由度平动分别由相应的电机执行，左手臂1由左臂水平电机6、左臂竖直电机8驱动，右手臂3由右臂水平电机7、右臂竖直电机5驱动；在左手臂1和右手臂3上分别附有左臂工程皮肤2和右臂工程皮肤4，用于采集受试者横躺于双臂之间时受试者与双臂间的接触位置和该接触位置所对应的压力大小，并以压力云图的方式显示；两个手臂的前后位置均安装有用于检测手臂所承受压力大小的压力传感器9(共四个)；所述控制系统分别与控制手臂运动的电机、脑电波仪16、肌电传感器17、左臂工程皮肤2和右臂工程皮肤4、用于检测两个手臂所承受压力大小的压力传感器9连接；所述脑电波仪16佩戴在受试者头部，所述肌电传感器17配戴在受试者的腰部、腹部、背部和大腿内侧。
控制系统(参见图3)包括工控机10和PMAC多轴运动控制卡11，工控机与PMAC多轴运动控制卡通过网线连接，控制PMAC多轴运动控制卡(型号为IMAC-FX)。PMAC多轴运动控制卡连接多个伺服驱动器12，伺服驱动器连接控制手臂运动的电机，工控机通过无线网连接脑电波仪16和肌电传感器17，压力传感器9通过压力放大器15及USB数据采集卡14与工控机连接，工程皮肤通过相应的嵌入式采集板13与工控机的串口连接；在工控机上还连接有键盘、鼠标、显示器等外围设备。
四个电机的型号均为安川伺服电机SGM7J-08AFC6E，对应的伺服驱动器是SGD7S-5R5A00A002；
工程皮肤采用公布号为CN106840475A的专利中所公开的柔性压力传感器；将其附着于实验平台的两个手臂上，当被护理人横躺于双臂上时，通过工程皮肤采集的压力大小和分布位置，不必进行大量的数据处理与转换，即可逆向解出人体在双臂上的姿态，其响应速度快、数据量小、成本低，具有基于视觉的姿态识别系统所不能比拟的优点。
压力传感器9型号为FC-WM-500N，采集到的信号需要经过压力放大器将原有的毫伏级电压放大为标准电压之后，再通过USB数据采集卡连接至工控机；
肌电传感器17使用的是DELSYS TrignoTM数字实验室(Lab)系统，与工控机进行无线连接；
脑电波仪16型号为EMOTIV Epoc+的无线便携脑电波仪。
本实用新型双臂移乘机器人模拟实验平台的测试方法，该方法用于测试双臂移乘机器人抱起不同人体时人体舒适度和双臂平衡点，该方法的步骤是：
第一步、测试前的准备：连接设备，将脑电波仪16佩戴在受试者头部，用于采集受试者在测试过程中的脑电波信息，判断受试者的反应(兴奋、刺激还是紧张等)；并且在受试者身体的主要部位(例如腰部、腹部、背部和大腿内侧等部位)配有肌电传感器17，用于检测受试者肌肉的紧张程度，从而判断是否舒适；
第二步、静态测试：测试时，在初始人体模型的基础上，输入受试者的体型参数(身高、体重、性别和其他参数等)，得出对应人体所需的机器人双臂的相对位置关系、双臂运动轨迹、运动速度和运动路径补偿值等，在确保双臂的相对位置的条件下双臂下降至最低点，此时受试者登上实验平台，并横躺于左手臂1和右手臂3之间，记录此时压力传感器9的信息。在此基础上，缓慢调节左手臂1和右手臂3之间的相对位置，并记录佩戴于受试者身上的肌电传感器17的信息，得到人体四肢的运动状态，并使肌肉处于松弛状态。同时采集脑电波16的信息，确定受试者的大脑紧张程度。综合肌电传感器17和脑电波仪16的信息反馈，判断受试者处于最放松和舒适的状态，记录此时左手臂1和右手臂3的位置关系，并记录四个压力传感器9的信息。
第三步、动态测试：在上述基础上，受试者横躺于左手臂1和右手臂3上做出相应的动作，实验平台测试在人动作的条件下的自平衡能力，从而保证双臂移乘机器人在移动时被护理人的安全度满足使用要求。当受试者动作时，左臂工程皮肤2和右臂工程皮肤4的压力云图产生相应的变化。控制系统根据压力云图的变化，反推出受试者的姿态和变化趋势，控制四个电机转动，从而控制左手臂1和右手臂3做出相应的动作，保证受试者在双臂上的安全。在每次动作的过程后，持续记录佩戴在受试者身体上的肌电传感器和脑电波仪的信息，判断在整个动作过程中人体的运动状态、放松程度和安全度。
第四步、完善人体模型：在完成上述过程后，根据实验过程中采集和记录的传感器信息、双臂相对位置、双臂运动轨迹、运动速度和运动路径补偿值等信息，验证初始人体模型是否符合该受试者的使用要求，如果不满足要求，将实验过程中采集的数据替换模型数据，然后多次更换受试者，重复上述实验步骤，在获得足够多的数据之后，优化初始人体模型参数，确定出相对最优的人体模型。该最优的人体模型能实现的最终目标是：对于任何一个人体，在输入其体型特征后，机器人都可以计算出对应人体参数所需要的机器人运动数据(即双臂相对位置、双臂运动轨迹、运动速度和运动路径补偿值等)。
本实用新型测试方法中初始人体模型的输入为被护理人的人体参数(包括身高、体重、性别和其他参数等)，输出为双臂的相对位置关系、双臂运动轨迹、运动速度和运动路径补偿值等，能够解决现有机器人双臂运动轨迹的规划问题。在本实用新型实验平台上，通过对于不同人体的多次测试，逐步修改和完善人体模型，提高人体模型的适用性。
本实用新型实验平台中压力传感器、工程皮肤、肌电传感器、脑电波仪及其信号传输设备等构成多传感器融合的信息采集系统，可采集被护理人被双臂横抱时的相应传感器信息；各具有两个自由度的机器人双臂提供了所模拟的双臂移乘机器人末端执行器，可通过调节两个模拟双臂的动作进行相应的测试；所述控制系统以工控机为核心，即能通过下位机控制伺服电机动作，从而调整双臂的动作，工控机内包括了多传感器融合的信息采集和处理算法，将所采集的传感器信息进行处理，从而得出被护理人的姿态、舒适度和平台双臂的运动参数等。
上述所涉及的初始人体模型可以采用现有的本领域的人体模型。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。