負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置及脫離方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置及脫離方法。所述裝置包括檢測模塊、報警模塊、人體控制模塊、主控制模塊和脫離模塊，所述脫離裝置包括用于安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵和綁縛在人體上的鐵片；所述檢測模塊用于實時監(jiān)測外骨骼機器人的平衡參數(shù)，并將所述平衡參數(shù)發(fā)送給所述主控制模塊；所述主控制模塊用于根據(jù)所述平衡參數(shù)判斷外骨骼機器人的平衡狀態(tài)，當(dāng)外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，控制報警模塊發(fā)出危險信號，并檢測到所述人體控制模塊被觸發(fā)時產(chǎn)生的緊急按鈕信號，控制所述脫離模塊的電磁鐵斷電，使得綁縛在人體身上的鐵片脫離所述安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵的吸附。保證了人體快速脫離外骨骼機器人，逃脫危險，提高了安全性。
【專利說明】負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置及脫離方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及人機交互領(lǐng)域，特別是涉及一種負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置及脫離方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的進步，人與機器人協(xié)同工作顯得尤為重要，而有時候機器人由于自身元器件的約束變得笨重，特別是機器人與人之間有連接裝置的時候，在機器人出現(xiàn)緊急情況的時候，無法實現(xiàn)人機在短時間內(nèi)分離，出現(xiàn)不必要的傷亡。例如，傳統(tǒng)的用于外骨骼機器人與人體接觸一般采用捆綁式結(jié)構(gòu)，當(dāng)機器人出現(xiàn)意外時，使用者不能快速與機器人脫離，容易造成人員傷亡，其安全性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]基于此，有必要針對傳統(tǒng)的外骨骼機器人容易發(fā)生意外，安全性低的問題，提供一種能提高安全性的負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置。
[0004]此外，還有必要提供一種能提高安全性的負(fù)重外骨骼機器人脫離方法。
[0005]一種負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，包括檢測模塊、報警模塊、人體控制模塊、主控制模塊和脫離模塊，所述主控制模塊分別與所述檢測模塊，報警模塊和人體控制模塊相連；所述脫離裝置包括用于安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵和綁縛在人體上的鐵片，所述控制模塊與所述電磁鐵相連；
[0006]所述檢測模塊用于實時監(jiān)測外骨骼機器人的平衡參數(shù)，并將所述平衡參數(shù)發(fā)送給所述主控制模塊；
[0007]所述報警模塊用于在外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，發(fā)出危險信號；
[0008]所述人體控制模塊用于當(dāng)用戶得到危險信號時被觸發(fā)產(chǎn)生緊急按鈕信號；
[0009]所述主控制模塊用于根據(jù)所述平衡參數(shù)判斷外骨骼機器人的平衡狀態(tài)，當(dāng)外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，控制所述報警模塊發(fā)出危險信號，并檢測到所述人體控制模塊被觸發(fā)時產(chǎn)生的緊急按鈕信號，以及根據(jù)所述緊急按鈕信號控制所述脫離模塊的電磁鐵斷電，使得綁縛在人體身上的鐵片脫離所述安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵的吸附。
[0010]在其中一個實施例中，所述電磁鐵用于安裝在外骨骼機器人的大腿、小腿以及腰部位置，所述鐵片用于綁縛在人體上的大腿、小腿以及腰部位置，且所述電磁鐵的位置與所述鐵片的位置對應(yīng)。
[0011]在其中一個實施例中，所述鐵片包裹在繃帶中，所述繃帶的穿戴部分采用黏粘帶結(jié)構(gòu)。
[0012]在其中一個實施例中，所述鐵片為柔性鐵片，所述電磁鐵為帶鐵心的電磁鐵。
[0013]在其中一個實施例中，所述平衡參數(shù)包括外骨骼機器人在以外骨骼機器人腰部位置為原點建立的平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度和外骨骼機器人沿所述平衡坐標(biāo)系的x、Y、z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度；所述主控制模塊還用于根據(jù)外骨骼機器人在平衡坐標(biāo)系中沿x、Y、z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度得到平衡坐標(biāo)系Z軸與世界坐標(biāo)系的Z軸之間的傾角，將所述檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度與預(yù)設(shè)的對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值進行比較，以及將所述傾角與預(yù)設(shè)傾角閾值比較，當(dāng)檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度均小于等于對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值且所述傾角小于等于預(yù)設(shè)傾角閾值時，則判定所述外骨骼機器人處于平衡狀態(tài)，否則，判定所述外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)。
[0014]在其中一個實施例中，所述傾角通過沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度的三角函數(shù)求得。
[0015]在其中一個實施例中，所述主控制模塊還用于存儲音頻信息，當(dāng)外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，控制所述報警模塊將所述音頻信息作為危險信號發(fā)出。
[0016]在其中一個實施例中，所述檢測模塊為陀螺儀，所述報警模塊包括揚聲器和/或指示燈。
[0017]一種負(fù)重外骨骼機器人脫離方法，包括以下步驟:
[0018]實時監(jiān)測外骨骼機器人的平衡參數(shù)；
[0019]根據(jù)所述平衡參數(shù)判斷所述外骨骼機器人的平衡狀態(tài)；
[0020]當(dāng)判斷出所述外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，發(fā)出危險信號；
[0021]檢測到根據(jù)危險信號觸發(fā)而產(chǎn)生的緊急按鈕信號；
[0022]根據(jù)所述緊急按鈕信號控制電磁鐵斷電，使得綁縛在人體身上的鐵片脫離所述安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵的吸附。
[0023]在其中一個實施例中，所述平衡參數(shù)包括外骨骼機器人在以外骨骼機器人腰部位置為原點建立的平衡坐標(biāo)系中X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度和外骨骼機器人沿所述平衡坐標(biāo)系的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度；
[0024]所述根據(jù)所述平衡參數(shù)判斷所述外骨骼機器人的平衡狀態(tài)的步驟包括:
[0025]根據(jù)外骨骼機器人在平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度得到平衡坐標(biāo)系Z軸與世界坐標(biāo)系的Z軸之間的傾角；
[0026]將所述檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度與預(yù)設(shè)的對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值進行比較；
[0027]將所述傾角與預(yù)設(shè)傾角閾值比較；
[0028]當(dāng)檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度均小于等于對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值且所述傾角小于等于預(yù)設(shè)傾角閾值時，則判定所述外骨骼機器人處于平衡狀態(tài)，否則，判定所述外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)。
[0029]上述負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置及方法，通過檢測平衡參數(shù)，并由根據(jù)平衡參數(shù)判斷外骨骼機器人的平衡狀態(tài)，判定出處于不平衡狀態(tài)時，發(fā)出危險信號，并在檢測到緊急按鈕信號時，控制電磁鐵斷電，使得綁縛在人體上的鐵片脫離電磁鐵吸附，保證了人體快速脫離外骨骼機器人，逃脫危險，提高了安全性。
[0030]此外，采用設(shè)定閾值進行判斷，計算簡單，判斷快速；存儲的音頻信息可多種多樣，滿足不同用戶的需求；采用黏粘帶結(jié)構(gòu)方便與人體連接和取下。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為一個實施例中負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置的模塊示意圖；[0032]圖2為以外骨骼機器人腰部位置為原點建立的平衡坐標(biāo)系示意圖；
[0033]圖3為一個實施例中外骨骼機器人按照平衡坐標(biāo)系的Z-Y-X軸的旋轉(zhuǎn)順序進行旋轉(zhuǎn)的示意圖；
[0034]圖4為一個實施例中負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置的應(yīng)用于外骨骼機器人上的示意圖；
[0035]圖5為一個實施例中負(fù)重外骨骼機器人脫離方法的流程圖；
[0036]圖6為一個實施例中根據(jù)該平衡參數(shù)判斷該外骨骼機器人的平衡狀態(tài)的具體流程圖。
【具體實施方式】
[0037]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0038]圖1為一個實施例中負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置的模塊示意圖。如圖1所示，該負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置包括檢測模塊110、報警模塊120、人體控制模塊130、主控制模塊140和脫離模塊150。其中，主控制模塊140分別與檢測模塊110、報警模塊120、人體控制模塊130和脫離模塊150相連。脫離裝置150包括用于安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵152和綁縛在人體上的鐵片154，控制模塊140與電磁鐵152相連。
[0039]檢測模塊110用于實時監(jiān)測外骨骼機器人的平衡參數(shù)，并將該平衡參數(shù)發(fā)送給主控制模塊140。該平衡參數(shù)可包括外骨骼機器人在以外骨骼機器人腰部位置為原點建立的平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度和外骨骼機器人沿所述平衡坐標(biāo)系的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度。
[0040]本實施例中，檢測模塊110可為陀螺儀。陀螺儀用于檢測外骨骼機器人在該平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度和外骨骼機器人沿所述平衡坐標(biāo)系的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度。外骨骼機器人運動可為首先將外骨骼機器人平衡坐標(biāo)系B和世界坐標(biāo)系A(chǔ)重合，先將B繞Zb旋轉(zhuǎn)α角，再繞Yb旋轉(zhuǎn)β角,最后繞Xb旋轉(zhuǎn)Y角，其中，α、β、Y可直接由陀螺儀讀出。
[0041]圖2為以外骨骼機器人腰部位置為原點建立的平衡坐標(biāo)系不意圖。圖2中，Χ、Υ、Z三個垂直坐標(biāo)軸是根據(jù)外骨骼機器人在平衡站立時建立的，外骨骼機器人在該平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度和外骨骼機器人沿所述平衡坐標(biāo)系的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度均可由陀螺儀檢測得到。如此，外骨骼機器人的具體位姿向量可表示為:Ρ={ δ χ，δ y, δ z, α，β，Y }。
[0042]報警模塊120用于在外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，發(fā)出危險信號。該報警模塊120可包括揚聲器和/或指示燈。揚聲器用于發(fā)出音頻信息。指示燈用于發(fā)出閃爍或警示顏色燈信號，例如黃燈閃爍，或紅燈亮等。
[0043]人體控制模塊130用于當(dāng)用戶得到危險信號時被觸發(fā)產(chǎn)生緊急按鈕信號。本實施例中，人體控制模塊130可為按鈕。當(dāng)用戶得到危險信號時，該按鈕被用戶按壓產(chǎn)生緊急按鈕信號。
[0044]主控制模塊140用于根據(jù)該平衡參數(shù)判斷外骨骼機器人的平衡狀態(tài)，當(dāng)外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，控制該報警模塊120發(fā)出危險信號，并檢測到該人體控制模塊130被觸發(fā)時產(chǎn)生的緊急按鈕信號，以及根據(jù)該緊急按鈕信號控制該脫離模塊150的電磁鐵152斷電，使得綁縛在人體身上的鐵片154脫離該安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵152的吸附，從而使得外骨骼機器人與人體脫離。
[0045]本實施例中，主控制模塊140還用于根據(jù)外骨骼機器人在平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度得到平衡坐標(biāo)系Z軸與世界坐標(biāo)系的Z軸之間的傾角，將所述檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度與預(yù)設(shè)的對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值進行比較，以及將該傾角與預(yù)設(shè)傾角閾值比較，當(dāng)檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度均小于等于對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值且所述傾角小于等于預(yù)設(shè)傾角閾值時，則判定該外骨骼機器人處于平衡狀態(tài)，否則，判定該外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)。
[0046]圖3為一個實施例中外骨骼機器人按照平衡坐標(biāo)系的Z-Y-X軸的旋轉(zhuǎn)順序進行旋轉(zhuǎn)的示意圖。圖3的平衡坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)過程中，用中間坐標(biāo)系{B' }和{B" }來表示三次旋
轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣。第一次旋轉(zhuǎn)后，坐標(biāo)表示為(X’ B, Y’ B, Z’ B)，第二旋轉(zhuǎn)后，坐標(biāo)表示為
(X" b，Y" B，Z" B)，第三次旋轉(zhuǎn)后，坐標(biāo)表示為(X" B，Y" ' B，Z" ' B)。如此，該旋轉(zhuǎn)過程用于坐標(biāo)系描述，則表示如下:
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，其特征在于，包括檢測模塊、報警模塊、人體控制模塊、主控制模塊和脫離模塊，所述主控制模塊分別與所述檢測模塊，報警模塊和人體控制模塊相連；所述脫離裝置包括用于安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵和綁縛在人體上的鐵片，所述控制模塊與所述電磁鐵相連； 所述檢測模塊用于實時監(jiān)測外骨骼機器人的平衡參數(shù)，并將所述平衡參數(shù)發(fā)送給所述主控制模塊； 所述報警模塊用于在外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，發(fā)出危險信號； 所述人體控制模塊用于當(dāng)用戶得到危險信號時被觸發(fā)產(chǎn)生緊急按鈕信號； 所述主控制模塊用于根據(jù)所述平衡參數(shù)判斷外骨骼機器人的平衡狀態(tài)，當(dāng)外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，控制所述報警模塊發(fā)出危險信號，并檢測到所述人體控制模塊被觸發(fā)時產(chǎn)生的緊急按鈕信號，以及根據(jù)所述緊急按鈕信號控制所述脫離模塊的電磁鐵斷電，使得綁縛在人體身上的鐵片脫離所述安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵的吸附。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，其特征在于，所述電磁鐵用于安裝在外骨骼機器人的大腿、小腿以及腰部位置，所述鐵片用于綁縛在人體上的大腿、小腿以及腰部位置，且所述電磁鐵的位置與所述鐵片的位置對應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，其特征在于，所述鐵片包裹在繃帶中，所述繃帶的穿戴部分采用黏粘帶結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，其特征在于，所述鐵片為柔性鐵片，所述電磁鐵為帶鐵心的電磁鐵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，其特征在于，所述平衡參數(shù)包括外骨骼機器人在以外骨骼機器人腰部位置為原點建立的平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度和外骨骼機器人沿所述平衡坐標(biāo)系的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度；所述主控制模塊還用于根據(jù)外骨骼機器人在平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度得到平衡坐標(biāo)系Z軸與世界坐標(biāo)系的Z軸之間的傾角，將所述檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度與預(yù)設(shè)的對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值進行比較，以及將所述傾角與預(yù)設(shè)傾角閾值比較，當(dāng)檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度均小于等于對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值且所述傾角小于等于預(yù)設(shè)傾角閾值時，則判定所述外骨骼機器人處于平衡狀態(tài)，否則，判定所述外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，其特征在于，所述傾角通過沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度的三角函數(shù)求得。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，其特征在于，所述主控制模塊還用于存儲音頻信息，當(dāng)外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，控制所述報警模塊將所述音頻信息作為危險信號發(fā)出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的負(fù)重外骨骼機器人脫離裝置，其特征在于，所述檢測模塊為陀螺儀，所述報警模塊包括揚聲器和/或指示燈。
9.一種負(fù)重外骨骼機器人脫離方法，包括以下步驟: 實時監(jiān)測外骨骼機器人的平衡參數(shù)； 根據(jù)所述平衡參數(shù)判斷所述外骨骼機器人的平衡狀態(tài)； 當(dāng)判斷出所述外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)時，發(fā)出危險信號；檢測到根據(jù)危險信號觸發(fā)而產(chǎn)生的緊急按鈕信號； 根據(jù)所述緊急按鈕信號控制電磁鐵斷電，使得綁縛在人體身上的鐵片脫離所述安裝在外骨骼機器人上的電磁鐵的吸附。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的負(fù)重外骨骼機器人脫離方法，其特征在于，所述平衡參數(shù)包括外骨骼機器人在以外骨骼機器人腰部位置為原點建立的平衡坐標(biāo)系中X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度和外骨骼機器人沿所述平衡坐標(biāo)系的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度；所述根據(jù)所述平衡參數(shù)判斷所述外骨骼機器人的平衡狀態(tài)的步驟包括: 根據(jù)外骨骼機器人在平衡坐標(biāo)系中沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度得到平衡坐標(biāo)系Z軸與世界坐標(biāo)系的Z軸之間的傾角； 將所述檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度與預(yù)設(shè)的對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值進行比較； 將所述傾角與預(yù)設(shè)傾角閾值比較； 當(dāng)檢測的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度均小于等于對應(yīng)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)加速度閾值且所述傾角小于等于 預(yù)設(shè)傾角閾值時，則判定所述外骨骼機器人處于平衡狀態(tài)，否則，判定所述外骨骼機器人處于不平衡狀態(tài)。
【文檔編號】G05D3/12GK103901902SQ201410117846
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】傅睿卿, 譚先鋒, 吳新宇, 孫健銓, 正端, 王力, 畢志強, 徐揚生 申請人:中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院