负重外骨骼机器人脱离装置及脱离方法
【专利摘要】本发明涉及一种负重外骨骼机器人脱离装置及脱离方法。所述装置包括检测模块、报警模块、人体控制模块、主控制模块和脱离模块，所述脱离装置包括用于安装在外骨骼机器人上的电磁铁和绑缚在人体上的铁片；所述检测模块用于实时监测外骨骼机器人的平衡参数，并将所述平衡参数发送给所述主控制模块；所述主控制模块用于根据所述平衡参数判断外骨骼机器人的平衡状态，当外骨骼机器人处于不平衡状态时，控制报警模块发出危险信号，并检测到所述人体控制模块被触发时产生的紧急按钮信号，控制所述脱离模块的电磁铁断电，使得绑缚在人体身上的铁片脱离所述安装在外骨骼机器人上的电磁铁的吸附。保证了人体快速脱离外骨骼机器人，逃脱危险，提高了安全性。
【专利说明】负重外骨骼机器人脱离装置及脱离方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及人机交互领域，特别是涉及一种负重外骨骼机器人脱离装置及脱离方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的进步，人与机器人协同工作显得尤为重要，而有时候机器人由于自身元器件的约束变得笨重，特别是机器人与人之间有连接装置的时候，在机器人出现紧急情况的时候，无法实现人机在短时间内分离，出现不必要的伤亡。例如，传统的用于外骨骼机器人与人体接触一般采用捆绑式结构，当机器人出现意外时，使用者不能快速与机器人脱离，容易造成人员伤亡，其安全性低。
【发明内容】
[0003]基于此，有必要针对传统的外骨骼机器人容易发生意外，安全性低的问题，提供一种能提高安全性的负重外骨骼机器人脱离装置。
[0004]此外，还有必要提供一种能提高安全性的负重外骨骼机器人脱离方法。
[0005]一种负重外骨骼机器人脱离装置，包括检测模块、报警模块、人体控制模块、主控制模块和脱离模块，所述主控制模块分别与所述检测模块，报警模块和人体控制模块相连；所述脱离装置包括用于安装在外骨骼机器人上的电磁铁和绑缚在人体上的铁片，所述控制模块与所述电磁铁相连；
[0006]所述检测模块用于实时监测外骨骼机器人的平衡参数，并将所述平衡参数发送给所述主控制模块；
[0007]所述报警模块用于在外骨骼机器人处于不平衡状态时，发出危险信号；
[0008]所述人体控制模块用于当用户得到危险信号时被触发产生紧急按钮信号；
[0009]所述主控制模块用于根据所述平衡参数判断外骨骼机器人的平衡状态，当外骨骼机器人处于不平衡状态时，控制所述报警模块发出危险信号，并检测到所述人体控制模块被触发时产生的紧急按钮信号，以及根据所述紧急按钮信号控制所述脱离模块的电磁铁断电，使得绑缚在人体身上的铁片脱离所述安装在外骨骼机器人上的电磁铁的吸附。
[0010]在其中一个实施例中，所述电磁铁用于安装在外骨骼机器人的大腿、小腿以及腰部位置，所述铁片用于绑缚在人体上的大腿、小腿以及腰部位置，且所述电磁铁的位置与所述铁片的位置对应。
[0011]在其中一个实施例中，所述铁片包裹在绷带中，所述绷带的穿戴部分采用黏粘带结构。
[0012]在其中一个实施例中，所述铁片为柔性铁片，所述电磁铁为带铁心的电磁铁。
[0013]在其中一个实施例中，所述平衡参数包括外骨骼机器人在以外骨骼机器人腰部位置为原点建立的平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度和外骨骼机器人沿所述平衡坐标系的x、Y、z三个坐标轴旋转的角度；所述主控制模块还用于根据外骨骼机器人在平衡坐标系中沿x、Y、z三个坐标轴旋转的角度得到平衡坐标系Z轴与世界坐标系的Z轴之间的倾角，将所述检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度与预设的对应坐标轴的旋转加速度阈值进行比较，以及将所述倾角与预设倾角阈值比较，当检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度均小于等于对应坐标轴的旋转加速度阈值且所述倾角小于等于预设倾角阈值时，则判定所述外骨骼机器人处于平衡状态，否则，判定所述外骨骼机器人处于不平衡状态。
[0014]在其中一个实施例中，所述倾角通过沿X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度的三角函数求得。
[0015]在其中一个实施例中，所述主控制模块还用于存储音频信息，当外骨骼机器人处于不平衡状态时，控制所述报警模块将所述音频信息作为危险信号发出。
[0016]在其中一个实施例中，所述检测模块为陀螺仪，所述报警模块包括扬声器和/或指示灯。
[0017]一种负重外骨骼机器人脱离方法，包括以下步骤:
[0018]实时监测外骨骼机器人的平衡参数；
[0019]根据所述平衡参数判断所述外骨骼机器人的平衡状态；
[0020]当判断出所述外骨骼机器人处于不平衡状态时，发出危险信号；
[0021]检测到根据危险信号触发而产生的紧急按钮信号；
[0022]根据所述紧急按钮信号控制电磁铁断电，使得绑缚在人体身上的铁片脱离所述安装在外骨骼机器人上的电磁铁的吸附。
[0023]在其中一个实施例中，所述平衡参数包括外骨骼机器人在以外骨骼机器人腰部位置为原点建立的平衡坐标系中X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度和外骨骼机器人沿所述平衡坐标系的X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度；
[0024]所述根据所述平衡参数判断所述外骨骼机器人的平衡状态的步骤包括:
[0025]根据外骨骼机器人在平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度得到平衡坐标系Z轴与世界坐标系的Z轴之间的倾角；
[0026]将所述检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度与预设的对应坐标轴的旋转加速度阈值进行比较；
[0027]将所述倾角与预设倾角阈值比较；
[0028]当检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度均小于等于对应坐标轴的旋转加速度阈值且所述倾角小于等于预设倾角阈值时，则判定所述外骨骼机器人处于平衡状态，否则，判定所述外骨骼机器人处于不平衡状态。
[0029]上述负重外骨骼机器人脱离装置及方法，通过检测平衡参数，并由根据平衡参数判断外骨骼机器人的平衡状态，判定出处于不平衡状态时，发出危险信号，并在检测到紧急按钮信号时，控制电磁铁断电，使得绑缚在人体上的铁片脱离电磁铁吸附，保证了人体快速脱离外骨骼机器人，逃脱危险，提高了安全性。
[0030]此外，采用设定阈值进行判断，计算简单，判断快速；存储的音频信息可多种多样，满足不同用户的需求；采用黏粘带结构方便与人体连接和取下。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为一个实施例中负重外骨骼机器人脱离装置的模块示意图；[0032]图2为以外骨骼机器人腰部位置为原点建立的平衡坐标系示意图；
[0033]图3为一个实施例中外骨骼机器人按照平衡坐标系的Z-Y-X轴的旋转顺序进行旋转的示意图；
[0034]图4为一个实施例中负重外骨骼机器人脱离装置的应用于外骨骼机器人上的示意图；
[0035]图5为一个实施例中负重外骨骼机器人脱离方法的流程图；
[0036]图6为一个实施例中根据该平衡参数判断该外骨骼机器人的平衡状态的具体流程图。
【具体实施方式】
[0037]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0038]图1为一个实施例中负重外骨骼机器人脱离装置的模块示意图。如图1所示，该负重外骨骼机器人脱离装置包括检测模块110、报警模块120、人体控制模块130、主控制模块140和脱离模块150。其中，主控制模块140分别与检测模块110、报警模块120、人体控制模块130和脱离模块150相连。脱离装置150包括用于安装在外骨骼机器人上的电磁铁152和绑缚在人体上的铁片154，控制模块140与电磁铁152相连。
[0039]检测模块110用于实时监测外骨骼机器人的平衡参数，并将该平衡参数发送给主控制模块140。该平衡参数可包括外骨骼机器人在以外骨骼机器人腰部位置为原点建立的平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度和外骨骼机器人沿所述平衡坐标系的X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度。
[0040]本实施例中，检测模块110可为陀螺仪。陀螺仪用于检测外骨骼机器人在该平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度和外骨骼机器人沿所述平衡坐标系的X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度。外骨骼机器人运动可为首先将外骨骼机器人平衡坐标系B和世界坐标系A重合，先将B绕Zb旋转α角，再绕Yb旋转β角,最后绕Xb旋转Y角，其中，α、β、Y可直接由陀螺仪读出。
[0041]图2为以外骨骼机器人腰部位置为原点建立的平衡坐标系不意图。图2中，Χ、Υ、Z三个垂直坐标轴是根据外骨骼机器人在平衡站立时建立的，外骨骼机器人在该平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度和外骨骼机器人沿所述平衡坐标系的X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度均可由陀螺仪检测得到。如此，外骨骼机器人的具体位姿向量可表示为:Ρ={ δ χ，δ y, δ z, α，β，Y }。
[0042]报警模块120用于在外骨骼机器人处于不平衡状态时，发出危险信号。该报警模块120可包括扬声器和/或指示灯。扬声器用于发出音频信息。指示灯用于发出闪烁或警示颜色灯信号，例如黄灯闪烁，或红灯亮等。
[0043]人体控制模块130用于当用户得到危险信号时被触发产生紧急按钮信号。本实施例中，人体控制模块130可为按钮。当用户得到危险信号时，该按钮被用户按压产生紧急按钮信号。
[0044]主控制模块140用于根据该平衡参数判断外骨骼机器人的平衡状态，当外骨骼机器人处于不平衡状态时，控制该报警模块120发出危险信号，并检测到该人体控制模块130被触发时产生的紧急按钮信号，以及根据该紧急按钮信号控制该脱离模块150的电磁铁152断电，使得绑缚在人体身上的铁片154脱离该安装在外骨骼机器人上的电磁铁152的吸附，从而使得外骨骼机器人与人体脱离。
[0045]本实施例中，主控制模块140还用于根据外骨骼机器人在平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度得到平衡坐标系Z轴与世界坐标系的Z轴之间的倾角，将所述检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度与预设的对应坐标轴的旋转加速度阈值进行比较，以及将该倾角与预设倾角阈值比较，当检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度均小于等于对应坐标轴的旋转加速度阈值且所述倾角小于等于预设倾角阈值时，则判定该外骨骼机器人处于平衡状态，否则，判定该外骨骼机器人处于不平衡状态。
[0046]图3为一个实施例中外骨骼机器人按照平衡坐标系的Z-Y-X轴的旋转顺序进行旋转的示意图。图3的平衡坐标系旋转过程中，用中间坐标系{B' }和{B" }来表示三次旋
转的旋转矩阵。第一次旋转后，坐标表示为(X’ B, Y’ B, Z’ B)，第二旋转后，坐标表示为
(X" b，Y" B，Z" B)，第三次旋转后，坐标表示为(X" B，Y" ' B，Z" ' B)。如此，该旋转过程用于坐标系描述，则表示如下:
[0047]
【权利要求】
1.一种负重外骨骼机器人脱离装置，其特征在于，包括检测模块、报警模块、人体控制模块、主控制模块和脱离模块，所述主控制模块分别与所述检测模块，报警模块和人体控制模块相连；所述脱离装置包括用于安装在外骨骼机器人上的电磁铁和绑缚在人体上的铁片，所述控制模块与所述电磁铁相连； 所述检测模块用于实时监测外骨骼机器人的平衡参数，并将所述平衡参数发送给所述主控制模块； 所述报警模块用于在外骨骼机器人处于不平衡状态时，发出危险信号； 所述人体控制模块用于当用户得到危险信号时被触发产生紧急按钮信号； 所述主控制模块用于根据所述平衡参数判断外骨骼机器人的平衡状态，当外骨骼机器人处于不平衡状态时，控制所述报警模块发出危险信号，并检测到所述人体控制模块被触发时产生的紧急按钮信号，以及根据所述紧急按钮信号控制所述脱离模块的电磁铁断电，使得绑缚在人体身上的铁片脱离所述安装在外骨骼机器人上的电磁铁的吸附。
2.根据权利要求1所述的负重外骨骼机器人脱离装置，其特征在于，所述电磁铁用于安装在外骨骼机器人的大腿、小腿以及腰部位置，所述铁片用于绑缚在人体上的大腿、小腿以及腰部位置，且所述电磁铁的位置与所述铁片的位置对应。
3.根据权利要求1所述的负重外骨骼机器人脱离装置，其特征在于，所述铁片包裹在绷带中，所述绷带的穿戴部分采用黏粘带结构。
4.根据权利要求1所述的负重外骨骼机器人脱离装置，其特征在于，所述铁片为柔性铁片，所述电磁铁为带铁心的电磁铁。
5.根据权利要求1所述的负重外骨骼机器人脱离装置，其特征在于，所述平衡参数包括外骨骼机器人在以外骨骼机器人腰部位置为原点建立的平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度和外骨骼机器人沿所述平衡坐标系的X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度；所述主控制模块还用于根据外骨骼机器人在平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度得到平衡坐标系Z轴与世界坐标系的Z轴之间的倾角，将所述检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度与预设的对应坐标轴的旋转加速度阈值进行比较，以及将所述倾角与预设倾角阈值比较，当检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度均小于等于对应坐标轴的旋转加速度阈值且所述倾角小于等于预设倾角阈值时，则判定所述外骨骼机器人处于平衡状态，否则，判定所述外骨骼机器人处于不平衡状态。
6.根据权利要求5所述的负重外骨骼机器人脱离装置，其特征在于，所述倾角通过沿X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度的三角函数求得。
7.根据权利要求1所述的负重外骨骼机器人脱离装置，其特征在于，所述主控制模块还用于存储音频信息，当外骨骼机器人处于不平衡状态时，控制所述报警模块将所述音频信息作为危险信号发出。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的负重外骨骼机器人脱离装置，其特征在于，所述检测模块为陀螺仪，所述报警模块包括扬声器和/或指示灯。
9.一种负重外骨骼机器人脱离方法，包括以下步骤: 实时监测外骨骼机器人的平衡参数； 根据所述平衡参数判断所述外骨骼机器人的平衡状态； 当判断出所述外骨骼机器人处于不平衡状态时，发出危险信号；检测到根据危险信号触发而产生的紧急按钮信号； 根据所述紧急按钮信号控制电磁铁断电，使得绑缚在人体身上的铁片脱离所述安装在外骨骼机器人上的电磁铁的吸附。
10.根据权利要求9所述的负重外骨骼机器人脱离方法，其特征在于，所述平衡参数包括外骨骼机器人在以外骨骼机器人腰部位置为原点建立的平衡坐标系中X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度和外骨骼机器人沿所述平衡坐标系的X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度；所述根据所述平衡参数判断所述外骨骼机器人的平衡状态的步骤包括: 根据外骨骼机器人在平衡坐标系中沿X、Y、Z三个坐标轴旋转的角度得到平衡坐标系Z轴与世界坐标系的Z轴之间的倾角； 将所述检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度与预设的对应坐标轴的旋转加速度阈值进行比较； 将所述倾角与预设倾角阈值比较； 当检测的X、Y、Z三个坐标轴的旋转加速度均小于等于对应坐标轴的旋转加速度阈值且所述倾角小于等于 预设倾角阈值时，则判定所述外骨骼机器人处于平衡状态，否则，判定所述外骨骼机器人处于不平衡状态。
【文档编号】G05D3/12GK103901902SQ201410117846
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】傅睿卿, 谭先锋, 吴新宇, 孙健铨, 正端, 王力, 毕志强, 徐扬生 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院