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基本信息
- 項目名稱：
- 一種新型的外骨骼式主從機器人遙控操作系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本發(fā)明為一套可以應(yīng)用于極限環(huán)境作業(yè)的新型主從式仿人機器人控制系統(tǒng)，包括一個外骨骼動作捕捉衣和一個履帶式仿人機器人。操作者通過穿戴外骨骼動作捕捉衣，可以實時采集人體上身各關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)，并利用wifi技術(shù)無線遠(yuǎn)程遙控仿人機器人。仿人機器人主體搭建在一個履帶式移動平臺上，可以實現(xiàn)機器人與操作者之間的視頻音頻等多媒體交互功能。該技術(shù)旨在利用機器人替代人類工作在危險環(huán)境中，完成復(fù)雜的操作任務(wù)，應(yīng)用前景廣闊。
- 詳細(xì)介紹：
- 本發(fā)明是一種新型的外骨骼式主從機器人遙控操作系統(tǒng)，通用性極強可以在各類極限環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，例如核能，海洋，空間，防災(zāi)和排雷等。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的搜救機器人，排雷機器人和太空機器人等應(yīng)用于極限環(huán)境作業(yè)的機器人多存在通用性差和操作復(fù)雜等問題。增加機器人的自由度，是解決通用性問題的有效途徑，但是僅僅采用現(xiàn)有的搖桿和按鍵的控制方式已無法滿足多自由度機器人的操控要求。因此，開發(fā)一種可以實時跟隨人體肢體運動的多自由度仿人機器人系統(tǒng)，將是解決以上兩個問題的最佳選擇。外骨骼式主從遙控仿人機器人系統(tǒng)，利用一套束縛在身體上的連桿式外骨骼動作捕捉衣，可以使穿戴者的上肢動作在多自由度機器人身上實時再現(xiàn)出來。此種控制方式具有同步性強，操作者更接近于直接作業(yè)形態(tài)和操控簡便等優(yōu)點，是一種可行的解決當(dāng)前問題的有效方案。本發(fā)明包括主控單元（master）和從控單元（slave）兩個部分。操控者需穿戴外骨骼動作捕捉衣，即主控單元，實現(xiàn)實時采集人體上肢16個關(guān)節(jié)運動信息的功能。履帶式仿人機器人，即從控單元，上身為類人形，具有16自由度，下身為履帶式底盤，實現(xiàn)實時跟隨主控單元運動的功能。主控單元與從控單元通過無線WIFI技術(shù)相互通信。 用戶穿戴外骨骼動作捕捉衣后，采集人體動作信息，并傳遞給機器人。機器人，接受信息后，執(zhí)行還原人體動作操作，并將動作通過視覺系統(tǒng)進(jìn)行反饋。操作者得到反饋信息后，進(jìn)行相應(yīng)的動作修正操作。 經(jīng)過實驗測試，外骨骼式主從遙控仿人機器人系統(tǒng)可以成功地跟隨人體肢體運動，延遲時間在300ms以內(nèi)。同時該系統(tǒng)的仿人機器人和操作者之間的運動動作相似度較高，各個關(guān)節(jié)一一對應(yīng)。在舞刀、傳遞物品和拆彈等實際操作實驗中，系統(tǒng)展現(xiàn)出了較高的精準(zhǔn)度和靈活性。機器人電機的最小分度為0.5度，單個機械臂具有7個自由度，可以基本勝任部分超精細(xì)工作，具有一定的應(yīng)用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種可應(yīng)用于極限環(huán)境作業(yè)的主從式遙控仿人機器人系統(tǒng),使人脫離危險的工作面通過遙控仿人機器人作為人類替身處理復(fù)雜任務(wù)。 基本思路：我們所研究的主從式遙控系統(tǒng)利用外骨骼方式采集人體動作信息遙控仿人機器人，受控機器人可以模仿人類上肢的基本活動。 創(chuàng)新點：操作者穿戴外骨骼動作捕捉衣，遙控仿人機器人，操作方式簡便。外骨骼動作捕捉衣的手臂采用伸縮式連桿結(jié)構(gòu)，腕部采用轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)可采集人體上半身16個關(guān)節(jié)的動作數(shù)據(jù)，穿戴方便，可靠性高。仿人機器人具有16自由度，完全模擬人體上身結(jié)構(gòu)。外骨骼可為每個操作者進(jìn)行初始化，即人體特征數(shù)據(jù)采集，從而使外骨骼對不同人體肢體動作識別更加精準(zhǔn)。外骨骼可以識別一定的人體動作，并觸發(fā)機器人的相應(yīng)功能或發(fā)出特定語音。技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 1.外骨骼機械系統(tǒng)，技術(shù)關(guān)鍵在于能夠達(dá)到人體上肢的運動范圍。 2.仿人機器人機械系統(tǒng)，技術(shù)關(guān)鍵在于電機搭建順序應(yīng)盡量滿足相鄰三軸軸線相交的原則。機器人手臂使用大扭力舵機，達(dá)到24kg/cm扭矩，可舉起0.5kg重物。 3.仿人機器人動作精準(zhǔn)度達(dá)到0.5度，動作延遲度<0.3s。 4．仿人機器人尺寸：430*280*900（mm），單個機械臂長度450(mm)，產(chǎn)品凈重：8kg，底盤最大載重量：30kg，電機功率：40W*2，工作電壓：12V，速度：45m/min。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 先進(jìn)性：目前，這種利用外骨骼動作捕捉衣遙控仿人機器人的系統(tǒng)多應(yīng)用于航天領(lǐng)域當(dāng)中。其中最具有代表性的是美國國家航天局NASA的Robonaut機器人。這是一種可由操作者通過外骨骼動作采集器控制，并具有一定自主性的外太空仿人機器人。此種以操作者通過外骨骼遙控多自由度仿人機器人的系統(tǒng)在國內(nèi)還是比較少見的。隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，這種特殊系統(tǒng)，在不久的將來也會廣泛應(yīng)用在我國的航天技術(shù)當(dāng)中。因此我們有理由相信，對此項目的研究是具有一定的科研價值的。科學(xué)性：外骨骼機械系統(tǒng)利用solidworks軟件進(jìn)行了相關(guān)運動仿真，確保運動數(shù)據(jù)采集無奇點，滿足人體上肢各關(guān)節(jié)的運動范圍。機械系統(tǒng)零件均是通過軟件出圖，送于加工廠制作，精準(zhǔn)度較高。在實際測試中，通過了10名操作者和36種肢體動作的測試，從而證明了外骨骼尺寸符合大部分人體體型，自由度設(shè)計符合人體運動范圍條件。在測試過程中，通過視頻檢測，證明角度傳感器結(jié)果同相應(yīng)關(guān)節(jié)角度相符。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年，校第十屆星火基金重點項目“人機協(xié)同無線遙控機械手”，獲得優(yōu)秀項目稱號。 2010年，第十一屆國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目“人機協(xié)同仿人機器人的研究”，獲得優(yōu)秀項目稱號。2011年，第六屆首都挑戰(zhàn)杯機械類一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 圖紙、技術(shù)、專利
作品可展示的形式
- 實物，產(chǎn)品，現(xiàn)場演示，圖片，錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 技術(shù)特點和優(yōu)勢：外骨骼動作捕捉衣的優(yōu)勢在于質(zhì)量輕便、結(jié)構(gòu)簡單，穿卸方便，可靠性強。仿人機器人的優(yōu)勢在于自由度較多，通用性強。通信系統(tǒng)使用WIFI技術(shù)，方便該系統(tǒng)和各類電子設(shè)備相連接?？梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行機器人遙操作，大大擴展機器人控制距離。作品的適應(yīng)范圍以及推廣前景：本作品更趨向于提供一種控制多自由度機械系統(tǒng)的實用性平臺。該平臺可應(yīng)用于各類遙控仿人機器人產(chǎn)品當(dāng)中。本發(fā)明在需要人機具有較高同步性，并且作業(yè)情況不利于人類安全，復(fù)雜多變的環(huán)境當(dāng)中，有著極大的優(yōu)勢和推廣前景。比如太空機器人、武裝機器人、偵察機器人、拆彈機器人、巡邏機器人和消防救援機器人等。市場分析和經(jīng)濟(jì)效益：外骨骼式動作捕捉衣和仿人機器人的結(jié)合，以其通用性強的特點，大大擴展了遙控機器人系統(tǒng)的適用范圍，必將在軍用和民用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。本發(fā)明的所有零件均有圖紙，可以實現(xiàn)機械流水線加工，并且加工用料普遍，結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，本模型成本為12000元人民幣，價格低廉具有一定的市場前景，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
同類課題研究水平概述
- 利用外骨骼對人體信息進(jìn)行捕捉，并遙控機器人的研究，在發(fā)達(dá)國家均已相對成熟。其中美國早在1972就由麻省理工的研究人員提出相關(guān)理論。 2003年,韓國的智能系統(tǒng)實驗室研制出了一種可以采集人體關(guān)節(jié)信息的外骨骼動作捕捉器，并通過無線技術(shù)，可以遙控拳擊機器人進(jìn)行相應(yīng)運動。其中外骨骼動作捕捉器具有12自由度，拳擊機器人兩臂共有4個自由度，并使用舵機驅(qū)動拳擊機器人關(guān)節(jié)運動。兩年后，科研人員繼續(xù)了研究，拳擊機器人的關(guān)節(jié)改由直流電機驅(qū)動，并使用PID控制算法進(jìn)行相應(yīng)的修正；外骨骼關(guān)節(jié)加裝光學(xué)編碼，使得機器人的動作潤滑度與精準(zhǔn)性有了大幅度的提高。近些年，這種利用外骨骼動作捕捉器遙控仿人機器人的系統(tǒng)多應(yīng)用于航天領(lǐng)域當(dāng)中。 2006年，歐洲航天局研制出了名為Eurobot的空間機器人,目的是為了對國際空間站進(jìn)行日常維護(hù)。Eurobot的控制方式是通過操作者穿戴外骨骼動作捕捉器和數(shù)據(jù)手套，實現(xiàn)操作者與Eurobot之間的動作采集，力反饋，視頻反饋和遙操作等交互功能。 2010年,NASA展示的Robonaut二代類人形機器人，代表了此種控制方式的最高水平和未來的發(fā)展趨勢。Robonaut控制方式是由操作者通過外骨骼動作采集器同機器人進(jìn)行信息交互，并且機器人具有了一定的自主能力。Robonaut2是一種上肢類人，下肢為輪式的可移動仿人機器人。這款機器人被設(shè)計用來長期駐守火星基地，并完成相應(yīng)的科研工作。在國內(nèi)這種使用外骨骼動作捕捉器遙控仿人機器人的控制方式的相關(guān)資料和文獻(xiàn)均相對較少。目前國內(nèi)針對外骨骼動作捕捉器的研究多集中于人體肢體的力量，保護(hù)和支撐等方面。對于利用外骨骼動作捕捉器遙控操作多自由度機器人的研究則關(guān)注較少。
