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節(jié)運動數(shù)據(jù)，并利用wifi技術無線遠程遙控仿人機器人。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。該技術旨在利用機器人替代人類工作在危險環(huán)境中，完成復雜的操作任務，應用前景廣闊。
- 詳細介紹：
- 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)境下進行作業(yè)，例如核能，海洋，空間，防災和排雷等。目前國內外現(xiàn)有的搜救機器人，排雷機器人和太空機器人等應用于極限環(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)進行反饋。操作者得到反饋信息后，進行相應的動作修正操作。 經過實驗測試，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。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，各個關節(jié)一一對應。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工作，具有一定的應用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種可應用于極限環(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雜任務。 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構，腕部采用轉動副結構可采集人體上半身16個關節(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構。外骨骼可為每個操作者進行初始化，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。外骨骼可以識別一定的人體動作，并觸發(fā)機器人的相應功能或發(fā)出特定語音。技術關鍵和主要技術指標： 1.外骨骼機械系統(tǒng)，技術關鍵在于能夠達到人體上肢的運動范圍。 2.仿人機器人機械系統(tǒng)，技術關鍵在于電機搭建順序應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，達到24kg/cm扭矩，可舉起0.5kg重物。 3.仿人機器人動作精準度達到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。
科學性、先進性
- 先進性：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)多應用于航天領域當中。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用在我國的航天技術當中。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?？茖W性：外骨骼機械系統(tǒng)利用solidworks軟件進行了相關運動仿真，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，證明角度傳感器結果同相應關節(jié)角度相符。
獲獎情況及鑒定結果
- 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
技術轉讓方式
- 圖紙、技術、專利
作品可展示的形式
- 實物，產品，現(xiàn)場演示，圖片，錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢：外骨骼動作捕捉衣的優(yōu)勢在于質量輕便、結構簡單，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，方便該系統(tǒng)和各類電子設備相連接?？梢酝ㄟ^網(wǎng)絡進行機器人遙操作，大大擴展機器人控制距離。作品的適應范圍以及推廣前景：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。該平臺可應用于各類遙控仿人機器人產品當中。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，復雜多變的環(huán)境當中，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。市場分析和經濟效益：外骨骼式動作捕捉衣和仿人機器人的結合，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，結構簡單，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，經濟效益可觀。
同類課題研究水平概述
- 利用外骨骼對人體信息進行捕捉，并遙控機器人的研究，在發(fā)達國家均已相對成熟。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節(jié)信息的外骨骼動作捕捉器，并通過無線技術，可以遙控拳擊機器人進行相應運動。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，并使用舵機驅動拳擊機器人關節(jié)運動。兩年后，科研人員繼續(xù)了研究，拳擊機器人的關節(jié)改由直流電機驅動，并使用PID控制算法進行相應的修正；外骨骼關節(jié)加裝光學編碼，使得機器人的動作潤滑度與精準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)多應用于航天領域當中。 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行日常維護。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。這款機器人被設計用來長期駐守火星基地，并完成相應的科研工作。在國內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資料和文獻均相對較少。目前國內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注較少。
