【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及外骨骼機器人，具體是一種自適應外骨骼機器人。
技術介紹
1、現有公開號為cn109172265b公開的一種手指外骨骼機器人，包括支撐板、至少一個手指機構及溫控系統。支撐板穿戴在使用者的手背。每個手指機構穿戴在使用者的其中一根手指，且每個手指機構包括多個指套及多個關節驅動器。每個手指機構的多個指套貫序間隔排列且被配置為用以一一對應地穿戴在使用者的該手指的多個指節。每個手指機構的每兩個相鄰的指套之間分別由一個關節驅動器連接，且支撐板與距其最近的一個指套之間由一個關節驅動器連接。關節驅動器在溫度高于或低于一相變溫度值時，在一平直狀態與一彎曲狀態之間轉換。溫控系統電連接于各關節驅動器且分別控制各關節驅動器的溫度。
2、現有的外骨骼機器人運動空間受限、結構復雜笨重、價格高昂，為了解決上述技術問題，我們提出一種自適應外骨骼機器人。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種自適應外骨骼機器人，以解決現有技術中的問題。
2、實現上述目的，本專利技術提供如下技術方案：一種自適應外骨骼機器人，包括：
3、手部外骨骼裝置，所述手部外骨骼裝置用于同時捕捉20個人手關節自由度，且進行力反饋；
4、感知及力反饋系統，所述感知及力反饋系統用于數據采集和主控驅動，以及匹配主控芯片的io資源；
5、自適應穿戴模塊，所述自適應穿戴模塊用于將手指外骨骼縫合到輕薄有彈性的纖維手套上，并用約束環對穿戴方式進行加固，同時將外骨骼手掌結構設計為可以
6、人機交互模塊，所述人機交互模塊用于人機交互；
7、主從控制系統，所述主從控制系統用于對20個關節自由度進行獨立的控制，并實現主從控制。
8、優選的，所述手部外骨骼裝置四指的dip關節、pip關節和mcp關節分別和附在其背部的外骨骼桿件之間形成閉合運動鏈；
9、也就是四指的每個手指2個外骨骼桿件和2個人機桿件(固定底座和人手指節穿戴后形成)視作機構學上的平面四連桿機構，該閉合運動鏈的自由度為：
10、f＝3n-2pl-ph＝3×3-2×4-0＝1
11、所以，當指關節轉動時，主動件的數目等于運動鏈的自由度，該四連桿機構具有確定的相對運動；同理，大拇指的ip關節、mcp關節和cmc關節可以視作平面四連桿機構。
12、優選的，所述感知及力反饋系統包括：
13、硬件電路，所述硬件電路由主控單元、采集單元、驅動單元、通信單元和供能單元組成；
14、主控單元負責處理采集單元的數據、控制驅動單元、與上位機通信；
15、采集單元由sv01a103a角度傳感器、fss1500nst觸力傳感器、ads1115模數轉換芯片和cd74hc4067高速cmos多路復用芯片組成，負責讀取并轉換各關節外骨骼的位置量和5根繩纜的張力值；
16、數據采集電路由數據采集pcb、各關節處的角度傳感器、指端的觸力傳感器和ad轉換芯片組成，同時實現20個角度值和5個壓力值的采集；
17、人手動作捕捉系統，所述人手動作捕捉系統的下位機將角度傳感器采集到的傳感器電壓值發送給上位機，然后上位機負責將數字電壓值轉換成對應的關節角度值，同時將這些關節角度值通過虛擬人手實時顯示，最后將需要的人手動作數據輸出并存儲；
18、力反饋結構，所述力反饋結構由驅動單元、傳動單元和檢測單元組成，驅動單元由5組舵機、繞線舵盤和護邊組成，當舵機帶動繞線舵盤旋轉時，改變繩纜的長度，從而對外骨骼結構的運動產生限制，間接地將力信息反饋給了整根手指。
19、優選的，所述上位機由串口讀取、角度換算、實時顯示和數據保存模塊組成，所述角度換算包括標定和補償。
20、優選的，所述手部外骨骼裝置設置有與約束環相互配合的約束孔，約束環的兩端通過橡皮筋與手部外骨骼裝置的約束孔連接。
21、優選的，所述主從控制系統包括運動映射：
22、運動映射：關節映射、指尖映射以及基于對象的映射；人手關節的角度變化值δθh和機械手關節的角度變化值δθr之間進行映射：δθr＝kδθh
23、映射出來的動作效果取決于映射比例k的設置；當比例系數大于1時，會提高主從控制的靈敏度，實現機械手的快速抓取效果；當比例系數小于1時，會提高人手對機械手動作的控制精度，實現機械手的精細抓取效果；
24、主從控制的全驅動無耦合靈巧手具有20個自由度，和手部外骨骼裝置采集到的自由度數目相同，因此20個自由度變化量的映射公式為：
25、
26、虛擬手指是將多個功能相同的手指抽象為一個手指；當把n個人手手指等效處理成1個虛擬手指時，其映射公式為：
27、
28、其中：
29、j代表第j個人手手指，δθhij即第j個人手手指的第i個關節角的變化量，bij為其所占的權重，δθvi為虛擬手指的第i個關節角的變化量，δθri為虛擬手指映射到機械手的第i個關節角的變化量，ki為其映射系數。
30、優選的，完整的四通道主從控制系統具有完整的四條控制通道：主端的位置通道c1和力通道c3、從端的位置通道c4和力通道c2；當人手出現主動運動時，主端產生的運動速度vh由通道c1傳給從端，人手和主端之間的作用力fh由通道c3傳給從端；接收到來自主端的位置和力信息后，經過從端阻抗zs，驅動從端產生運動速度ve，并使其經由通道c4反饋給主端；同時，若從端運動時和環境對象發生交互，從端和環境對象之間會產生接觸力fe，并經由通道c2反饋給主端；主端接收到來自從端的位置和力信息后，經過主端的阻抗zm，驅動主端產生運動速度vh；主端的運動經過人手阻抗zm反饋給操作者，產生新的人機交互力fh；其中，fe*為接觸環境產生的接觸力，fh*為操作者施加的力，cm*和cs*分別為主從端的位置控制器，構成各自的位置控制。
31、與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：
32、1、仿生柔性肌肉優化設計，力反饋技術，集成了力反饋的的觸力傳感器，可以采集用戶的力大小，為力閉環的控制打下基礎。
33、2、穿戴自適應設計，將手指外骨骼縫合到輕薄有彈性的纖維手套上，并用約束環對穿戴方式進行加固，同時將外骨骼手掌結構設計為可以自適應貼合到手背的可變動結構。
34、3、采用主從控制模式，實現運動跟隨和力反饋功能，力反饋精度大于1n。
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1.一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述手部外骨骼裝置四指的DIP關節、PIP關節和MCP關節分別和附在其背部的外骨骼桿件之間形成閉合運動鏈；
3.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述感知及力反饋系統包括：
4.根據權利要求3所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述上位機由串口讀取、角度換算、實時顯示和數據保存模塊組成，所述角度換算包括標定和補償。
5.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述手部外骨骼裝置設置有與約束環相互配合的約束孔，約束環的兩端通過橡皮筋與手部外骨骼裝置的約束孔連接。
6.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述主從控制系統包括運動映射：
7.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，完整的四通道主從控制系統具有完整的四條控制通道：主端的位置通道C1和力通道C3、從端的位置通道C4和力通道C2；當人手出現主動運動時，主端產生的運動速度
...【技術特征摘要】
1.一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述手部外骨骼裝置四指的dip關節、pip關節和mcp關節分別和附在其背部的外骨骼桿件之間形成閉合運動鏈；
3.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述感知及力反饋系統包括：
4.根據權利要求3所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述上位機由串口讀取、角度換算、實時顯示和數據保存模塊組成，所述角度換算包括標定和補償。
5.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述手部外骨骼裝置設置有與約束環相互配合的約束孔，約束環的兩端通過橡皮筋與手部外骨骼裝置的約束孔連接。
6.根據權利要求1所述的一種自適應外骨骼機器人，其特征在于，所述主從控制系統包括運動映射：...
【專利技術屬性】
技術研發人員：周烜亦，
申請(專利權)人：昆山至博微智能科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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