基本信息
- 项目名称：
- 一种新型的外骨骼式主从机器人遥控操作系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本发明为一套可以应用于极限环境作业的新型主从式仿人机器人控制系统，包括一个外骨骼动作捕捉衣和一个履带式仿人机器人。操作者通过穿戴外骨骼动作捕捉衣，可以实时采集人体上身各关节运动数据，并利用wifi技术无线远程遥控仿人机器人。仿人机器人主体搭建在一个履带式移动平台上，可以实现机器人与操作者之间的视频音频等多媒体交互功能。该技术旨在利用机器人替代人类工作在危险环境中，完成复杂的操作任务，应用前景广阔。
- 详细介绍：
- 本发明是一种新型的外骨骼式主从机器人遥控操作系统，通用性极强可以在各类极限环境下进行作业，例如核能，海洋，空间，防灾和排雷等。目前国内外现有的搜救机器人，排雷机器人和太空机器人等应用于极限环境作业的机器人多存在通用性差和操作复杂等问题。增加机器人的自由度，是解决通用性问题的有效途径，但是仅仅采用现有的摇杆和按键的控制方式已无法满足多自由度机器人的操控要求。因此，开发一种可以实时跟随人体肢体运动的多自由度仿人机器人系统，将是解决以上两个问题的最佳选择。外骨骼式主从遥控仿人机器人系统，利用一套束缚在身体上的连杆式外骨骼动作捕捉衣，可以使穿戴者的上肢动作在多自由度机器人身上实时再现出来。此种控制方式具有同步性强，操作者更接近于直接作业形态和操控简便等优点，是一种可行的解决当前问题的有效方案。本发明包括主控单元（master）和从控单元（slave）两个部分。操控者需穿戴外骨骼动作捕捉衣，即主控单元，实现实时采集人体上肢16个关节运动信息的功能。履带式仿人机器人，即从控单元，上身为类人形，具有16自由度，下身为履带式底盘，实现实时跟随主控单元运动的功能。主控单元与从控单元通过无线WIFI技术相互通信。 用户穿戴外骨骼动作捕捉衣后，采集人体动作信息，并传递给机器人。机器人，接受信息后，执行还原人体动作操作，并将动作通过视觉系统进行反馈。操作者得到反馈信息后，进行相应的动作修正操作。 经过实验测试，外骨骼式主从遥控仿人机器人系统可以成功地跟随人体肢体运动，延迟时间在300ms以内。同时该系统的仿人机器人和操作者之间的运动动作相似度较高，各个关节一一对应。在舞刀、传递物品和拆弹等实际操作实验中，系统展现出了较高的精准度和灵活性。机器人电机的最小分度为0.5度，单个机械臂具有7个自由度，可以基本胜任部分超精细工作，具有一定的应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：本发明的目的在于开发一种可应用于极限环境作业的主从式遥控仿人机器人系统,使人脱离危险的工作面通过遥控仿人机器人作为人类替身处理复杂任务。 基本思路：我们所研究的主从式遥控系统利用外骨骼方式采集人体动作信息遥控仿人机器人，受控机器人可以模仿人类上肢的基本活动。 创新点：操作者穿戴外骨骼动作捕捉衣，遥控仿人机器人，操作方式简便。外骨骼动作捕捉衣的手臂采用伸缩式连杆结构，腕部采用转动副结构可采集人体上半身16个关节的动作数据，穿戴方便，可靠性高。仿人机器人具有16自由度，完全模拟人体上身结构。外骨骼可为每个操作者进行初始化，即人体特征数据采集，从而使外骨骼对不同人体肢体动作识别更加精准。外骨骼可以识别一定的人体动作，并触发机器人的相应功能或发出特定语音。技术关键和主要技术指标： 1.外骨骼机械系统，技术关键在于能够达到人体上肢的运动范围。 2.仿人机器人机械系统，技术关键在于电机搭建顺序应尽量满足相邻三轴轴线相交的原则。机器人手臂使用大扭力舵机，达到24kg/cm扭矩，可举起0.5kg重物。 3.仿人机器人动作精准度达到0.5度，动作延迟度<0.3s。 4．仿人机器人尺寸：430*280*900（mm），单个机械臂长度450(mm)，产品净重：8kg，底盘最大载重量：30kg，电机功率：40W*2，工作电压：12V，速度：45m/min。
科学性、先进性
- 先进性：目前，这种利用外骨骼动作捕捉衣遥控仿人机器人的系统多应用于航天领域当中。其中最具有代表性的是美国国家航天局NASA的Robonaut机器人。这是一种可由操作者通过外骨骼动作采集器控制，并具有一定自主性的外太空仿人机器人。此种以操作者通过外骨骼遥控多自由度仿人机器人的系统在国内还是比较少见的。随着我国航天事业的快速发展，这种特殊系统，在不久的将来也会广泛应用在我国的航天技术当中。因此我们有理由相信，对此项目的研究是具有一定的科研价值的。科学性：外骨骼机械系统利用solidworks软件进行了相关运动仿真，确保运动数据采集无奇点，满足人体上肢各关节的运动范围。机械系统零件均是通过软件出图，送于加工厂制作，精准度较高。在实际测试中，通过了10名操作者和36种肢体动作的测试，从而证明了外骨骼尺寸符合大部分人体体型，自由度设计符合人体运动范围条件。在测试过程中，通过视频检测，证明角度传感器结果同相应关节角度相符。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年，校第十届星火基金重点项目“人机协同无线遥控机械手”，获得优秀项目称号。 2010年，第十一届国家大学生创新性实验计划项目“人机协同仿人机器人的研究”，获得优秀项目称号。2011年，第六届首都挑战杯机械类一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 图纸、技术、专利
作品可展示的形式
- 实物，产品，现场演示，图片，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：外骨骼动作捕捉衣的优势在于质量轻便、结构简单，穿卸方便，可靠性强。仿人机器人的优势在于自由度较多，通用性强。通信系统使用WIFI技术，方便该系统和各类电子设备相连接。可以通过网络进行机器人遥操作，大大扩展机器人控制距离。作品的适应范围以及推广前景：本作品更趋向于提供一种控制多自由度机械系统的实用性平台。该平台可应用于各类遥控仿人机器人产品当中。本发明在需要人机具有较高同步性，并且作业情况不利于人类安全，复杂多变的环境当中，有着极大的优势和推广前景。比如太空机器人、武装机器人、侦察机器人、拆弹机器人、巡逻机器人和消防救援机器人等。市场分析和经济效益：外骨骼式动作捕捉衣和仿人机器人的结合，以其通用性强的特点，大大扩展了遥控机器人系统的适用范围，必将在军用和民用领域占据重要地位。本发明的所有零件均有图纸，可以实现机械流水线加工，并且加工用料普遍，结构简单，组装方便，本模型成本为12000元人民币，价格低廉具有一定的市场前景，经济效益可观。
同类课题研究水平概述
- 利用外骨骼对人体信息进行捕捉，并遥控机器人的研究，在发达国家均已相对成熟。其中美国早在1972就由麻省理工的研究人员提出相关理论。 2003年,韩国的智能系统实验室研制出了一种可以采集人体关节信息的外骨骼动作捕捉器，并通过无线技术，可以遥控拳击机器人进行相应运动。其中外骨骼动作捕捉器具有12自由度，拳击机器人两臂共有4个自由度，并使用舵机驱动拳击机器人关节运动。两年后，科研人员继续了研究，拳击机器人的关节改由直流电机驱动，并使用PID控制算法进行相应的修正；外骨骼关节加装光学编码，使得机器人的动作润滑度与精准性有了大幅度的提高。近些年，这种利用外骨骼动作捕捉器遥控仿人机器人的系统多应用于航天领域当中。 2006年，欧洲航天局研制出了名为Eurobot的空间机器人,目的是为了对国际空间站进行日常维护。Eurobot的控制方式是通过操作者穿戴外骨骼动作捕捉器和数据手套，实现操作者与Eurobot之间的动作采集，力反馈，视频反馈和遥操作等交互功能。 2010年,NASA展示的Robonaut二代类人形机器人，代表了此种控制方式的最高水平和未来的发展趋势。Robonaut控制方式是由操作者通过外骨骼动作采集器同机器人进行信息交互，并且机器人具有了一定的自主能力。Robonaut2是一种上肢类人，下肢为轮式的可移动仿人机器人。这款机器人被设计用来长期驻守火星基地，并完成相应的科研工作。在国内这种使用外骨骼动作捕捉器遥控仿人机器人的控制方式的相关资料和文献均相对较少。目前国内针对外骨骼动作捕捉器的研究多集中于人体肢体的力量，保护和支撑等方面。对于利用外骨骼动作捕捉器遥控操作多自由度机器人的研究则关注较少。
