CN110096066A - 一种力触觉再生外骨骼结构及无人机飞行姿态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力触觉再生外骨骼结构及无人机飞行姿态控制方法，主要包括：背部连接模块；肩关节机构：包括护肩、肩部安装板、肩部转轴件和旋转件等；上臂：包括电机、上臂磁流体阻尼器、上臂调节板和护臂；肘关节活动机构：包括肘关节编码器、光电开关和锥齿轮；前臂结构与上臂类似；腕关节活动机构：包括依次连接的手握、旋转轴、柔性压力传感器和腕部支撑件。在触觉再生设计上，采用电机运动辅助，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系。在结构设计上，操控者上肢顺(逆)时针运动按压相应的压力应变片来改变输出电压，预测结构运动趋势，电机辅助外骨骼运动，从而控制远端无人机飞行。

Description

一种力触觉再生外骨骼结构及无人机飞行姿态控制方法

技术领域

本发明涉及可穿戴式上肢外骨骼结构设计领域，尤其涉及一种可穿戴上肢外骨骼利用力触觉再生技术控制从端无人机，以及用于控制无人机飞行姿态的方法。

背景技术

随着可穿戴外骨骼在诸多领域的广泛应用，将触觉再生、可穿戴设备和无人机飞行控制等研究领域融合，提出新型触觉式摇操控无人机控制。

外骨骼技术起源于1960年，起初被定义为一种拟人的主动式机械装置，由操作员佩戴并增加机械性能。可穿戴上肢外骨骼装置已在工业、军事、交通和医疗等众多领域应用，同样，在农业航空领域引入触觉可穿戴式上肢外骨骼来摇操控无人机则显得尤为重要。随着外骨骼技术的发展，可穿戴设备在市场应用中的比重越来越重要。

人体外骨骼又称机器人外骨骼，意为套在人体外边的机器人，也称“可穿戴式机器人”，外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息和算法，为人类提供一种可穿戴的机械结构的综合技术。当前操控无人机主要通过手持遥控装置，过度依赖视觉实现无人机安全控制。本设计采用磁流体阻尼器、触觉再生和柔性材料设计，很大程度上改善了无人机遥操控***的研究，减少了因视觉疲劳造成的不必要损失，具有较强的现实意义。因此将触觉可穿戴外骨骼、遥操控和农业航空无人机领域研究结合，可为拓展其他领域提供技术支持。

目前现有的上肢外骨骼存在如下问题：

1、传统上肢外骨骼设计复杂臃肿，采用台式机构将电源和驱动设备集成在台体内部，使得机构庞大且降低了灵活性，对使用空间和精度有较高要求的场合，难以普及和使用。

2、传统上肢外骨骼设计采用金属材料，电机和编码器的选择均有着重量大、噪音大的缺点，易于外界产生信号干扰，造成难以预料的风险。

3、目前国内外骨骼机构造价昂贵，有源设备体型庞大，一般群体无法消费，基于种种原因，这类产品普及程度并不高。

目前上肢外骨骼更多的是用在康复医疗领域，对于和农业航空无人机领域的结合使用还需进一步的研究应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种触觉可穿戴式上肢外骨骼结构。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述结构的用于控制无人机飞行姿态的方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种力触觉再生外骨骼结构，该外骨骼结构主要包括背部连接模块、以及对称设置的肩关节机构、上臂、肘关节活动机构、前臂和腕关节活动机构。所述腕关节活动机构、前臂、肘关节活动机构、上臂、肩关节机构和背部连接模块依次连接。所述背部连接模块穿戴在人体背部，所述肩关节机构、上臂、肘关节活动机构、前臂和腕关节活动机构分别穿戴于人体的肩部、上臂、肘部、前臂和手腕位置，通过各部件的转动实现物体的运动姿态控制。

具体的，所述肩关节机构主要包括护肩、护肩安装板、护肩轴、副轴安装板、肩关节链接轴、以及肩关节法兰。所述护肩安装在护肩安装板的底部，并通过护肩安装板与护肩轴固定连接。所述护肩轴的端部套设在肩关节链接轴，与肩关节链接轴垂直设置。所述肩关节链接轴的两端通过轴承与副轴安装板可转动连接。所述副轴安装板通过肩关节法兰固定在上臂。

具体的，所述上臂主要包括上臂旋转安装板、护臂、上臂调节板、上臂锥齿轮、上臂阻尼器、上臂电机链接轴、上臂压力应变片、上臂应变片模块、以及上臂电机。所述上臂旋转安装板的一端与肘关节活动机构连接，另一端与上臂调节板嵌套连接。所述上臂调节板的一端嵌入上臂旋转安装板内，通过螺钉与上臂旋转安装板可调整连接，实现上臂长度的可调，另一端与肩关节机构连接。所述护臂安装在上臂调节板，并与人体上臂贴合接触。所述上臂电机通过安装板与上臂旋转安装板固定连接，其输出端与上臂电机链接轴传动连接。所述上臂电机链接轴的另一端与上臂锥齿轮固定连接。所述上臂压力应变片设置在上臂锥齿轮的端面。所述上臂应变片模块与上臂电机链接轴连接；所述上臂阻尼器安装在上臂电机链接轴。

具体的，所述肘关节活动机构主要包括肘关节法兰、肘关节法兰盘、肘关节感应片、肘关节光电开关、第一锥齿轮、第二锥齿轮、肘关节编码器、以及肘关节编码器座。所述肘关节法兰与上臂固定连接，所述肘关节法兰盘与前臂固定连接，所述肘关节法兰与肘关节法兰盘同轴设置，使上臂和前臂通过肘关节活动机构实现转动连接。所述肘关节感应片安装在前臂，所述肘关节光电开关安装在上臂，通过肘关节光电开关对肘关节感应片的检测实现对前臂与上臂之间的转动的限制。所述第一锥齿轮安装在肘关节法兰盘，与上臂传动连接。所述第二锥齿轮安装在肘关节编码器座的一端，与上臂传动连接，且与第一锥齿轮对称设置。所述肘关节编码器与第二锥齿轮连接。所述肘关节编码器座的另一端固定安装在上臂。

具体的，所述前臂主要包括大齿轮、小齿轮、前臂压力应变片、前臂编码器、前臂应变片模块、前臂阻尼器、前臂电机、前臂调节板、以及前臂连接板。所述小齿轮设置在前臂调节板的端部外侧，所述前臂编码器设置在前臂调节板的端部内侧，并与小齿轮连接。所述前臂电机通过安装板固定在前臂调节板，其输出轴与大齿轮传动连接。所述大齿轮与小齿轮啮合。所述前臂应变片模块和前臂阻尼器均安装在前臂电机的输出轴。所述前臂压力应变片安装在大齿轮的端部位置。所述前臂连接板的一端与肘关节活动机构连接，另一端嵌入前臂调节板内，并通过螺钉与前臂调节板可调节连接，实现前臂长度的可调。

具体的，所述腕关节主要包括压力传感器、手握、手握轴、链接块、第一编码器、第二编码器、腕关节旋转固定板、前轴、旋转轴、腕关节光电开关、以及腕关节感应片。所述腕关节旋转固定板通过旋转轴与前臂连接，使腕关节旋转固定板在外力作用下绕旋转轴旋转。所述前轴的两端通过轴承分别与腕关节旋转固定板的两端连接。所述第二编码器设置在腕关节旋转固定板的外侧，并与前轴连接。所述链接块的一端与前轴连接，可绕前轴转动。所述第一编码器固定在链接块。所述手握轴的一端与手握固定连接，另一端穿过链接块后与第一编码器连接。所述手握垂直于链接块设置。所述压力传感器安装在手握顶部位置，与人体大拇指接触。所述腕关节感应片安装在腕关节旋转固定板，所述腕关节光电开关安装在前臂，通过腕关节光电开关对腕关节感应片的检测来实现腕关节的转动角度限制。

作为本发明的优选方案，所述上臂阻尼器和前臂阻尼器均采用磁流体阻尼器(新型功能材料：既有液体的流动性，又有固体磁性材料的磁性)；保证外骨骼转动时所提供的阻尼可变,避免结构因震动造成机构破坏；同时提供柔性阻尼变化力，保证了外骨骼运动的安全性。

作为本发明的优选方案，所述上臂和前臂均设有用于保护内部部件的外罩。

作为本发明的优选方案，所述背部连接模块包括尼龙材料编制而成的背包式设备，采用套入式直接穿戴在人体背部，肩部通过螺孔和肩部连接件相连。

本发明在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生。在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力压力应变片连接，操控者上肢顺(逆)时针运动，压力应变片内轴按压相应的压力应变片，压力应变片模块输出电压改变，单片机通过信号采集知道此压力应变片受压，进而预测外骨骼结构关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动，从而控制远端无人机的飞行姿态。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种力触觉再生外骨骼结构无人机飞行姿态控制方法，该控制方法主要包括如下步骤：

步骤S1：在无人机飞行控制方面，定义运动模式，实现外骨骼手臂运动和无人机飞行姿态同步对应，按压拇指处的柔性压力传感器，实现无人机的启停控制，保证摇操控的精确性和稳定性；

步骤S2：在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力应变片连接，腕关节顺/逆时针旋转，按压压力应变片，压力应变片模块输出电压改变，进而预测外骨骼腕关节的运动趋势，通过电机辅助外骨骼运动，从而控制远端无人机的飞行姿态；

步骤S3：在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力应变片连接，肘关节活动机构向上/下运动，按压力压应变片，压力应变片模块输出电压改变，进而预测外骨骼轴关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动，从而控制远端无人机的飞行姿态；

步骤S4：当无人机飞行遇障时，通过建立与障碍物之间的距离与电机输出上肢运动辅助力关系，信号传输至电机，电机带动外骨骼手臂运动，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生控制。

具体的，在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生。

本发明通过对上肢外骨骼运动情况进行定义，在大拇指处安装柔性压力传感器，用来控制无人机的启动和停止；肘关节机构、前臂和腕关节机构的运动分别对应无人机不同的飞行姿态。该结构设计的具体思路是：护肩作为和背部连接件相连的关键部位，起到了稳定外骨骼装置的作用；护肩通过护臂安装板，可滑动调节长度，满足不同操控者穿戴的需求；上臂采用结构可调节设计，电机和磁流体阻尼器(柔性变阻尼)通过轴连接至锥齿轮，锥齿轮啮合同步转动，编码器采集运动角度及位移数据；肘部安装有光电限位开关，保证肘关节转动的角度符合人体肘部运动范围，起到安全操作的作用；前臂亦采用结构可调节设计，电机和磁流体阻尼器(柔性变阻尼)通过轴连接至直齿轮，啮合同步带动手腕转动；腕部亦安装有光电限位开关，保证腕部关节转动的角度符合人体腕部关节运动范围，起到安全操作的作用，同时腕部采用三自由度设计，符合人机工效学。

遥操控无人机的具体思路是：外骨骼运动作为信号输入，手臂运动按压压力应变片，采集信号控制电机作相应的转动(被动)，带动外骨骼做相应转动，从而控制无人机飞行，实现上肢运动与外骨骼运动的统一。触觉再生结构设计方面，通过建立无人机安全飞行等级与电机输出上肢运动辅助力关系，无人机飞行遇障时，通过建立的相应关系，电机转动(主动)带动操控者手臂运动，实现触觉再生式无人机飞行控制。

本发明的过程和原理是：本发明公开了触觉可穿戴式上肢外骨骼结构设计及其控制方法，利用上肢外骨骼运动数据作为远端无人机飞行控制的输入量，通过对上肢运动信号的采集、分析处理，控制从端无人机。在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，通过建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生。本设计提供更自然、更方便的无人机控制，具有操控容易、操作简单、同时能够保证无人机的飞行稳定性及安全性，还能提供辅助力帮助用户恢复上肢力觉，磁流体阻尼器保证了该外骨骼结构安全、平稳运动，最重要的是提供了一种无人机危险性的触觉再生技术。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构及其控制方法将上肢外骨骼运动和无人机飞行姿态同步对应，以此来实现外骨骼远程遥操控无人机，降低了操控者的疲劳强度。

(2)本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构及其控制方法将磁流体阻尼器和柔性材料引入，更加体现了结构设计的目标—安全第一。阻尼可调保证了外骨骼运动在遇到不同的力作用下均可保持稳定的转速，避免了因快速运动导致操控者受伤的情况；柔性材料，使得外骨骼结构更加贴合操控者上肢，利于操控者穿戴外骨骼，提升摇操控的稳定性。

(3)本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构及其控制方法采用的电机在不同情况下起不同作用；外骨骼遥操控无人机时，电机辅助外骨骼运动，减轻了操控者的疲劳感；在触觉再生结构设计方面，通过建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)，信号传输至电机，电机反转带动外骨骼手臂运动，提醒操控者改变其飞行姿态，实现触觉再生式无人机飞行控制。

(4)本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构及其控制方法应用于农业航空无人机飞控领域。以往更多是将上肢外骨骼装置用于医疗康复助力恢复***，随科技发展，将外骨骼和无人机领域结合，利用上肢外骨骼遥操控无人机进行作业，具有更强的现实意义。

(5)本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构及其控制方法将触觉再生设计、上肢外骨骼装置和无人机摇操控领域结合，突破传统无人机视觉感知控制方式的局限性，通过建立无人机安全飞行等级与电机输出上肢运动辅助力关系，实现触觉再生无人机摇操控。

(6)本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构及其控制方法本着使用范围最大化的目的，即可作为一种可穿戴的上肢康复装置使用，又可作为遥操控无人机的装置，具有较强的现实意义。

(7)本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构及其控制方法是一套结构简单、功能完备、易于维护和使用的触觉再生上肢外骨骼装置。腕部采用齿轮传动，肩部满足运动自由度，增加了运动的准确性和运动范围，具有较强的推广性和实用性。

(8)本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构及其控制方法，在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生。

附图说明

图1是本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构的去掉两侧外壳后的整体结构示意图。

图2是本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构的去掉左侧外壳后的整体立体图。

图3是本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构的单侧结构示意图。

图4是本发明所提供的腕关节活动机构和前臂的结构示意图。

图5是本发明所提供的腕关节活动机构和前臂的右视图。

图6是本发明所提供的腕关节活动机构和前臂的立体图。

图7是本发明所提供的腕关节活动机构和前臂的主视图。

图8是本发明所提供的肘关节活动机构、上臂和肩关节机构的侧视图。

图9是本发明所提供的肘关节活动机构、上臂和肩关节机构的立体图。

图10是本发明所提供的肘关节活动机构、上臂和肩关节机构的结构示意图。

图11是本发明所提供的应变片的结构及安装示意图。

图12是本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构的遥操控和触觉实现流程图。

图13是本发明所提供的力触觉再生外骨骼结构用于无人机飞行姿态控制方法流程图。

图14是本发明所提供的应变片模块、应变片和轴安装示意图。

上述附图中的标号说明：

1-压力传感器，2-手握，3-腕关节轴承座，4-手握轴，5-链接块，6-腕关节空心轴编码器，7-旋转固定板，8-腕关节轴承垫块，9-前轴，10-腕关节深沟球轴承，11-旋转轴，12-小齿轮，13-大齿轮，14-腕关节光电开关，15-腕关节感应片，16-6802双切边紧凑型法兰，17-前臂压力应变片，18-前臂空心轴编码器，19-前臂应变片连轴，20-前臂应变片模块，21-前臂阻尼安装板，22-前臂磁流体阻尼器，23-应变片内轴，24-前臂电机安装板，25-前臂外罩，26-前臂直流减速电机，27-前臂调节板，28-前臂连接板，29-标准型6806双切边紧凑型法兰，30-法兰盘，31-肘关节感应片，32-肘关节光电开关，33-锥齿轮，34-肘关节压力应变片，35-编码器链接轴，36-肘关节空心轴编码器，37-编码器座，38-肘关节应变片连轴，39-肘关节电机链接轴，40-肘关节应变片模块，41-上臂旋转安装板，42-护臂，43-上臂调节板，44-上臂磁流体阻尼器，45-上臂阻尼安装板，46-上臂电机链接轴，47-上臂电机安装板，48-上臂直流减速电机，49-上臂外罩，50-标准型608圆法兰，51-副轴安装板，52-护臂轴，53-肩关节轴承垫块，54-链接轴，55-肩关节深沟球轴承，56-肩关节轴承座，57-护臂安装板，58-护肩。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

结合图1至图14所示，本实施例公开了一种力触感再生外骨骼结构及无人机飞行姿态控制方法，如图1所示，包括背部连接模块、肩关节机构、上臂、肘关节活动机构、前臂、以及腕关节活动机构，分别穿戴于人体的背部、肩部、上臂、肘部、前臂和手腕。

腕关节包括柔性压力传感器1、手握2、腕关节轴承座3、手握轴4、链接块5、腕关节空心轴编码器6、旋转固定板7、腕关节轴承垫块8、前轴9、腕关节深沟球轴承10、旋转轴11、小齿轮12、大齿轮13、腕关节光电开关14、腕关节感应片15、6802双切边紧凑型法兰16。

前臂包括前臂压力应变片17、前臂空心轴编码器18、前臂应变片连轴19、前臂应变片模块20、前臂阻尼安装板21、前臂磁流体阻尼器22、应变片内轴23、前臂电机安装板24、前臂外罩25、前臂直流减速电机26、前臂调节板27和前臂连接板28。

肘关节包括标准型6806双切边紧凑型法兰29、法兰盘30、肘关节感应片31、肘关节光电开关32、锥齿轮33、肘关节压力应变片34、编码器链接轴35、肘关节空心轴编码器36、编码器座37、肘关节应变片连轴38、肘关节电机链接轴39和肘关节应变片模块40。

上臂包括上臂旋转安装板41、护臂42、上臂调节板43、上臂磁流体阻尼器44、上臂阻尼安装板45、上臂电机链接轴46、上臂电机安装板47、上臂直流减速电机48和上臂外罩49。

肩关节机构包括标准型608圆法兰50、副轴安装板51、护臂轴52、肩关节轴承垫块53、链接轴54、肩关节肩关节深沟球轴承55、肩关节轴承座56、护臂安装板57和护肩58。

背部连接模块包括利用尼龙材料编制而成的背包式设备，采用套入式直接穿戴在人体背部，肩部通过螺孔和肩部连接件相连。

所述腕关节包括柔性压力传感器1、手握2、腕关节轴承座3、手握轴4、链接块5、腕关节空心轴编码器6、旋转固定板7、腕关节轴承垫块8、前轴9、腕关节深沟球轴承10、旋转轴11、小齿轮12、大齿轮13、腕关节光电开关14、腕关节感应片15、6802双切边紧凑型法兰16。柔性压力传感器1安装于手握大拇指处，拇指按压压力传感器1，压力产生变化，传输信号至处理器控制无人机的启动和停止。作为独立个体，手握2固定于链接块5上，通过握紧它使整个上肢外骨骼与手臂密切贴合，更加有利于操控者和外骨骼手臂的贴合，带给操控者舒适的操控无人机体验。

所述前臂包括前臂压力应变片17、前臂空心轴编码器18、前臂应变片连轴19、前臂应变片模块20、前臂阻尼安装板21、前臂磁流体阻尼器22、应变片内轴23、前臂电机安装板24、前臂外罩25、前臂直流减速电机26、前臂调节板27和前臂连接板28。前臂调节板27和前臂连接板28组成可调滑轨装置，满足不同操控者穿戴该装置的臂长需求，一端通过前臂连接板28和肘关节连接，一端通过双切边紧凑型法兰16和腕关节连接。前臂机构采用电机运动辅助方式，建立相应的关系，实现摇操控无人机和触觉再生，以通用化和广泛化为目的，更多的应用于无人机领域。

所述肘关节包括标准型6806双切边紧凑型法兰29、法兰盘30、肘关节感应片31、肘关节光电开关32、锥齿轮33、肘关节压力应变片34、编码器链接轴35、肘关节空心轴编码器36、编码器座37、肘关节应变片连轴38、肘关节电机链接轴39和肘关节应变片模块40。肘部一端通过上臂旋转安装板41与上臂连接，一端通过前臂连接板28与前臂连接，保证了肘关节运转安全平稳。肘部装有肘关节光电开关32和肘关节感应片31，防止肘部运转角度超过人体肘部运动范围，起到安全保护的作用。在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力应变片连接，操控者上肢顺(逆)时针运动，压力应变片内轴按压相应的压力应变片，压力应变片模块输出电压改变，单片机通过信号采集知道此压力应变片受压，进而预测外骨骼结构关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动，从而控制远端无人机的飞行姿态。在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生。

所述上臂包括上臂旋转安装板41、护臂42、上臂调节板43、上臂磁流体阻尼器44、上臂阻尼安装板45、上臂电机链接轴46、上臂电机安装板47、上臂直流减速电机48和上臂外罩49。上臂调节板43和上臂旋转安装板41组成可调滑轨装置，满足不同用户使用的需求，采用螺母-螺孔相连接，它充当上臂机构主体，满足伸缩性要求，且易购得，性价比高。

所述肩关节机构包括标准型608圆法兰50、副轴安装板51、护臂轴52、肩关节轴承垫块53、链接轴54、肩关节肩关节深沟球轴承55、肩关节轴承座56、护臂安装板57和护肩58。肩关节轴承座56上装有肩关节肩关节深沟球轴承55，肩关节轴承垫块53分别置于链接轴54的两端，便于安装。护肩58采用圆弧形设计，更加贴合人体肩部，符合人机工效学。肩部结构作为自由度组成最为复杂的部位，外骨骼为避免腕部运动和肘部运动之间的机构干扰，同时也为了避免电机输入信号和编码器输出信号之间的干扰，减少外骨骼结构间的摩擦，在肩部、腕部和肘关节处加入轴承。

所述背部连接模块包括利用尼龙材料编制而成的背包式设备，采用套入式直接穿戴在人体背部，肩部通过螺孔和肩部连接件相连。

所述的一种力触感再生外骨骼结构及无人机飞行姿态控制方法的控制示意图，包括以下几个步骤：

步骤一：结构设计上，采用可调节设计，满足不同操控者穿戴该外骨骼装置，引入磁流体阻尼器(新型功能材料：既有液体的流动性，又有固体磁性材料的磁性)；保证外骨骼转动时所提供的阻尼可变,避免结构因震动造成机构破坏；同时提供柔性阻尼变化力，保证了外骨骼运动的安全性，进一步保证了外骨骼运动的安全性，提升了遥操控的精确性。

步骤二：在无人机飞行控制方面，通过定义运动模式，实现外骨骼手臂运动和无人机飞行姿态同步对应，按压拇指处的柔性压力传感器，实现无人机的启停控制，保证摇操控的精确性和稳定性。

步骤三：在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力应变片连接，操控者腕部顺(逆)时针旋转，按压压力应变片，压力应变片模块输出电压改变，进而预测外骨骼腕关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动(被动)，控制远端无人机的飞行姿态。

步骤四：在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力应变片连接，操控者轴部向上(下)运动，按压压力应变片，压力应变片模块输出电压改变，进而预测外骨骼轴关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动(被动)，控制远端无人机的飞行姿态。

步骤五：在触觉再生结构设计方面，无人机飞行遇障时，通过建立的关系，信号传输至电机，电机带动外骨骼手臂运动，改变从端无人机的飞行姿态，实现外骨骼的触觉再生。

步骤一中外骨骼的设计，根据人体上肢运动轨迹，设计一种同上肢运动相对应的外骨骼结构。同时，引入触觉再生设计、磁流体阻尼器和柔性材料的应用，突破传统外骨骼结构纯机械化的设计，提升外骨骼工作效率。

步骤二中实现外骨骼手臂运动和无人机飞行姿态同步对应。首先，手握处安装柔性压力传感器，通过按压它实现遥操控无人机的启停；腕部关节和肘部安装压力应变片，手臂运动按压应变片，信号传输至远端无人机，以此来实现外骨骼手臂运动和无人机飞行姿态的同步对应。在力构成和运动复杂的肩部节点处，对其运动不进行测量和定义，满足外骨骼肩部的设计需求即可；经过多次实验分析和对比，确定遥操控无人机的最佳外骨骼手臂运动。

步骤三中电机提供辅助力(腕部)的实现方式。在结构设计上，电机作为辅助，为外骨骼运动提供助力；在触觉再生设计上，电机主动运动，带动外骨骼手臂运转，实现触觉遥操控无人机。对于无人机启动、停止和改变飞行姿态所需外骨骼手臂力的大小设定，保证了无人机飞行的稳定性和安全性；无人机启停通过按压手握处柔性压力传感器即可实现，经过多次试验分析和对比，确定改变从端无人机飞行姿态所需外骨骼腕部和肘部力的最佳范围，实现无人机从启动到降落。同时，在腕部位置安装光电限位开关，保证腕部旋转安全运动。

步骤四中电机提供辅助力(肘部)的实现方式。作为连接上臂和前臂的关键位置，肘部的设计同样采用电机辅助和触觉再生来实现遥操控，为保证肘部运动安全平稳，在其肘部安装光电限位开关。

步骤五中触觉再生结构的设计。作为外骨骼控制的又一核心思想，该结构采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生。

实施例2：

本实施例公开了一种力触感再生外骨骼结构及无人机飞行姿态控制方法，以解决上述背景技术中提出问题。通过对外骨骼肘部、前臂和手腕运动进行定义，采集信号传输至从端无人机，实现远程遥操控。所述外骨骼机构在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生。在安全设计方面，加入磁流体阻尼器，实现柔性阻尼的变化，更加保证了外骨骼运动的安全性和稳定性。同时，柔性材料的引入，使得外骨骼装置更加贴肤，更加符合人机工效学。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种力触感再生外骨骼结构及无人机飞行姿态控制方法，包括背部连接模块、肩关节机构、上臂、肘关节活动机构、前臂、以及腕关节活动机构，分别穿戴于人体的背部、肩部、上臂、肘部、前臂和手腕。各个关节依次设置，肘关节上的连接板和肩关节连接板上下设置，腕关节连接件和与肘关节连接板前后设置。采用双臂设计，增加了外骨骼结构的稳定性和安全性，为遥操控无人机提供更多保障。

所述腕关节包括柔性压力传感器1、手握2、腕关节轴承座3、手握轴4、链接块5、腕关节空心轴编码器6、旋转固定板7、腕关节轴承垫块8、前轴9、腕关节深沟球轴承10、旋转轴11、小齿轮12、大齿轮13、腕关节光电开关14、腕关节感应片15、6802双切边紧凑型法兰16。柔性压力传感器1安装于手握大拇指处，拇指按压压力传感器1，压力产生变化，传输信号至处理器控制无人机的启动和停止；手握轴4一端连接手握2，一端连接腕关节空心轴编码器6，腕关节轴承座3安装于旋转固定板7的两边内测，前轴9通过腕关节深沟球轴承10和腕关节空心轴编码器6连接，旋转轴11和双切边紧凑型法兰16将小齿轮12固定在中间，大齿轮13和小齿轮12啮合转动；同时，腕部装有腕关节光电开关14和腕关节感应片15，防止腕部旋转角度超过人体肘腕部运动范围，起到安全保护的作用。作为独立个体，手握2固定于链接块5上，通过握紧它使整个上肢外骨骼与手臂密切贴合，更加有利于操控者和外骨骼手臂的贴合，带给操控者舒适的操控无人机体验。

所述前臂包括前臂压力应变片17、前臂空心轴编码器18、前臂应变片连轴19、前臂应变片模块20、前臂阻尼安装板21、前臂磁流体阻尼器22、应变片内轴23、前臂电机安装板24、前臂外罩25、前臂直流减速电机26、前臂调节板27和前臂连接板28。前臂设计同上臂设计类似，需满足不同操控者的臂长需求，前臂调节板27和前臂连接板28组成可调滑轨装置，一端通过前臂连接板28和肘关节连接，一端通过双切边紧凑型法兰16和腕关节连接。前臂直流减速电机26和前臂磁流体阻尼器22通过应变片内轴23相连接，前臂磁流体阻尼器22的引入为外骨骼运动增加了安全保障，提升了运动效率；电机安装板24和前臂阻尼安装板21并排安装于前臂调节板27上，避免在上臂运动过程中前臂直流减速电机26和前臂磁流体阻尼器22安装不稳定带来不必要的损失和误差。前臂机构亦采用电机运动辅助方式，建立相应的关系，实现摇操控无人机和触觉再生，以通用化和广泛化为目的，更多的应用于无人机领域。

所述肘关节包括标准型6806双切边紧凑型法兰29、法兰盘30、肘关节感应片31、肘关节光电开关32、锥齿轮33、肘关节压力应变片34、编码器链接轴35、肘关节空心轴编码器36、编码器座37、肘关节应变片连轴38、肘关节电机链接轴39和肘关节应变片模块40。肘部结构为一圆盘结构，一端通过上臂旋转安装板41与上臂连接，一端通过前臂连接板28与前臂连接，上面安装有标准型6806双切边紧凑型法兰29和法兰盘30，同时连接板都是经过加厚处理，保证了肘关节运转安全平稳。三个锥齿轮33啮合同步转动，肘关节空心轴编码器36通过编码器链接轴链接轴35和锥齿轮连接，间隔一编码器座37，肘部转动获取转动角度及位移数据；肘关节压力应变片34粘贴于肘关节电机链接轴39头部两边(见图9)，电机输出轴上套有特别设计的轴39，两旁各有两个卡槽，用于卡紧应变片模块。同时，肘部还装有肘关节光电开关32和肘关节感应片31，防止肘部运转角度超过人体肘部运动范围，起到安全保护的作用。结构设计方面，采用电机运动(主动和被动)辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的距离)与电机输出上肢运动辅助力关系，实现摇操控无人机和触觉再生。

所述上臂包括上臂旋转安装板41、护臂42、上臂调节板43、上臂磁流体阻尼器44、上臂阻尼安装板45、上臂电机链接轴46、上臂电机安装板47、上臂直流减速电机48和上臂外罩49。上臂调节板43和上臂旋转安装板41组成可调滑轨装置，满足不同用户使用的需求，采用螺母-螺孔相连接，它充当上臂机构主体，满足伸缩性要求，且易购得，性价比高；上臂调节板43外端和护臂相连，尼龙织带缠绕在上臂和护臂连接，保证上臂平稳运动。上臂直流减速电机48和上臂磁流体阻尼器44通过上臂电机链接轴46相连接，上臂磁流体阻尼器44的引入为外骨骼运动增加了安全保障，提升了运动效率；电机安装板47和上臂阻尼安装板45并排安装于旋转安装板41上，避免在上臂运动过程中上臂直流减速电机48和上臂磁流体阻尼器44安装不稳定带来不必要的损失和误差。

所述肩关节机构包括标准型608圆法兰50、副轴安装板51、护臂轴52、肩关节轴承垫块53、链接轴54、肩关节肩关节深沟球轴承55、肩关节轴承座56、护臂安装板57和护肩58。肩关节轴承座56上装有肩关节肩关节深沟球轴承55，肩关节轴承垫块53分别置于链接轴54的两端，便于安装。护肩58贴合护臂安装板57，通过调节护肩58的位置，可实现不同操控者穿戴外骨骼机构，护肩58采用圆弧形设计，更加贴合人体肩部，符合人机工效学。护臂轴52一端连接护臂安装板57，可实现肩部的上下运动；另一端同副轴安装板51连接，实现肩部的旋转运动，圆法兰50通过轴和副轴安装板51连接，组成肩部结构，完成外骨骼肩部的运动。肩部结构作为自由度组成最为复杂的部位，为避免结构干扰，减少摩擦，加入轴承。

所述背部连接模块包括利用尼龙材料编制而成的背包式设备，采用套入式直接穿戴在人体背部，肩部通过螺孔和肩部连接件相连。

通过对上肢外骨骼运动情况进行定义，在大拇指处安装柔性压力传感器，用来控制无人机的启动和停止；肘关节机构、前臂和腕关节机构的运动分别对应无人机不同的飞行姿态。该结构设计的具体思路是：护肩作为和背部连接件相连的关键部位，起到了稳定外骨骼装置的作用；护肩通过护臂安装板，可滑动调节长度，满足不同操控者的需求；上臂采用可调节设计，电机和磁阻尼器(柔性变阻尼)通过轴连接至锥齿轮，锥齿轮啮合同步转动，编码器采集运动角度及位移数据；肘部安装有光电限位开关，保证肘关节转动的角度符合人体肘部运动范围，起到安全操作的作用；前臂亦采用可调节设计，电机和磁阻尼器(柔性变阻尼)通过轴连接至直齿轮，啮合同步带动手腕转动；腕部亦安装有光电限位开关，保证腕部关节转动的角度符合人体腕部关节运动范围，起到安全操作的作用，同时腕部采用三自由度设计，符合人机工效学。

遥操控无人机的具体思路是：外骨骼运动作为信号输入，手臂运动按压压力应变片，采集信号控制电机作相应的转动(被动)，带动上肢外骨骼相应转动，从而控制无人机飞行，实现上肢运动与外骨骼运动的统一。在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生。

注释：

电机被动运动：在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力应变片连接，操控者上肢顺(逆)时针运动，压力应变片内轴按压相应的压力应变片，压力应变片模块输出电压改变，单片机通过信号采集了解此应变片受压，进而预测外骨骼结构关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动，从而控制远端无人机的飞行姿态。

电机主动运动：在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机飞行姿态，从而实现外骨骼触觉的再生控制。

一种触觉可穿戴式外骨骼结构的控制***示意图如图12，包括以下几个步骤：

步骤一：在触觉再生外骨骼结构设计上，采用结构长度可调节设计，满足不同操控者穿戴该外骨骼装置，引入磁流体阻尼器，进一步保证了外骨骼运动的安全性，提升了遥操控的精确性。

步骤二：在无人机飞行控制方面，通过定义运动模式，实现外骨骼手臂运动和无人机飞行姿态同步对应，按压拇指处的柔性压力传感器，实现无人机的启停控制，保证摇操控的精确性和稳定性。

步骤三：在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力应变片连接，操控者腕部顺(逆)时针旋转，按压压力应变片，压力应变片模块输出电压改变，进而预测外骨骼腕关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动(被动)，控制远端无人机的飞行姿态。

步骤四：在外骨骼结构设计方面，压力应变片内轴一端与压力应变片连接，操控者轴部向上(下)运动，按压压力应变片，压力应变片模块输出电压改变，进而预测外骨骼轴关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动(被动)，控制远端无人机的飞行姿态。

步骤五：在触觉再生设计方面，采用电机运动辅助方式，建立无人机安全飞行等级(无人机与障碍物之间的空间位置关系)与电机输出上肢运动辅助力关系(电机带动外骨骼运动)。无人机飞行遇障时，空间位置信号经转换成为电信号，然后反馈对应的电信号至电机，电机反转(无人机与障碍物之间的空间位置关系不同，反馈至电机的辅助力强弱不同)，提醒操控者实时避障，改变从端无人机飞行姿态，从而实现外骨骼触觉的再生控制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，包括背部连接模块、以及对称设置的肩关节机构、上臂、肘关节活动机构、前臂和腕关节活动机构；所述腕关节活动机构、前臂、肘关节活动机构、上臂、肩关节机构和背部连接模块依次连接；所述背部连接模块穿戴在人体背部，所述肩关节机构、上臂、肘关节活动机构、前臂和腕关节活动机构分别穿戴于人体的肩部、上臂、肘部、前臂和手腕位置，通过各部件的转动实现物体的运动姿态控制。

2.根据权利要求1所述的力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，所述肩关节机构包括护肩、护肩安装板、护肩轴、副轴安装板、肩关节链接轴、以及肩关节法兰；所述护肩安装在护肩安装板的底部，并通过护肩安装板与护肩轴固定连接；所述护肩轴的端部套设在肩关节链接轴，与肩关节链接轴垂直设置；所述肩关节链接轴的两端通过轴承与副轴安装板可转动连接；所述副轴安装板通过肩关节法兰固定在上臂。

3.根据权利要求1所述的力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，所述上臂包括上臂旋转安装板、护臂、上臂调节板、上臂锥齿轮、上臂阻尼器、上臂电机链接轴、上臂压力应变片、上臂应变片模块、以及上臂电机；所述上臂旋转安装板的一端与肘关节活动机构连接，另一端与上臂调节板嵌套连接；所述上臂调节板的一端嵌入上臂旋转安装板内，通过螺钉与上臂旋转安装板可调整连接，实现上臂长度的可调，另一端与肩关节机构连接；所述护臂安装在上臂调节板，并与人体上臂贴合接触；所述上臂电机通过安装板与上臂旋转安装板固定连接，其输出端与上臂电机链接轴传动连接；所述上臂电机链接轴的另一端与上臂锥齿轮固定连接；所述上臂压力应变片设置在上臂锥齿轮的端面；所述上臂应变片模块与上臂电机链接轴连接；所述上臂阻尼器安装在上臂电机链接轴。

4.根据权利要求1所述的力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，所述肘关节活动机构包括肘关节法兰、肘关节法兰盘、肘关节感应片、肘关节光电开关、第一锥齿轮、第二锥齿轮、肘关节编码器、以及肘关节编码器座；所述肘关节法兰与上臂固定连接，所述肘关节法兰盘与前臂固定连接，所述肘关节法兰与肘关节法兰盘同轴设置，使上臂和前臂通过肘关节活动机构实现转动连接；所述肘关节感应片安装在前臂，所述肘关节光电开关安装在上臂，通过肘关节光电开关对肘关节感应片的检测实现对前臂与上臂之间的转动角度的限制；所述第一锥齿轮安装在肘关节法兰盘，与上臂传动连接；所述第二锥齿轮安装在肘关节编码器座的一端，与上臂传动连接，且与第一锥齿轮对称设置；所述肘关节编码器与第二锥齿轮连接；所述肘关节编码器座的另一端固定安装在上臂上。

5.根据权利要求1所述的力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，所述前臂包括大齿轮、小齿轮、前臂压力应变片、前臂编码器、前臂应变片模块、前臂阻尼器、前臂电机、前臂调节板、以及前臂连接板；所述小齿轮设置在前臂调节板的端部外侧，所述前臂编码器设置在前臂调节板的端部内侧，并与小齿轮连接；所述前臂电机通过安装板固定在前臂调节板上，其输出轴与大齿轮传动连接；所述大齿轮与小齿轮啮合；所述前臂应变片模块和前臂阻尼器均安装在前臂电机的输出轴；所述前臂压力应变片安装在大齿轮的端部位置；所述前臂连接板的一端与肘关节活动机构连接，另一端嵌入前臂调节板内，并通过螺钉与前臂调节板可调节连接，实现前臂长度的可调。

6.根据权利要求1所述的力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，所述腕关节包括压力传感器、手握、手握轴、链接块、第一编码器、第二编码器、腕关节旋转固定板、前轴、旋转轴、腕关节光电开关、以及腕关节感应片；所述腕关节旋转固定板通过旋转轴与前臂连接，使腕关节旋转固定板在外力作用下绕旋转轴旋转；所述前轴的两端通过轴承分别与腕关节旋转固定板的两端连接；所述第二编码器设置在腕关节旋转固定板的外侧，并与前轴连接；所述链接块的一端与前轴连接，可绕前轴转动；所述第一编码器固定在链接块上；所述手握轴的一端与手握固定连接，另一端穿过链接块后与第一编码器连接；所述手握垂直于链接块设置；所述压力传感器安装在手握顶部位置，与操控者大拇指接触；所述腕关节感应片安装在腕关节旋转固定板上，所述腕关节光电开关安装在前臂上，通过腕关节光电开关对腕关节感应片的检测来实现腕关节的转动角度限制。

7.根据权利要求1所述的力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，所述上臂阻尼器和前臂阻尼器均采用磁流体阻尼器。

8.根据权利要求1所述的力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，所述上臂和前臂上均设有用于保护内部部件的外罩。

9.根据权利要求1所述的力触觉再生外骨骼结构，其特征在于，所述背部连接模块包括尼龙材料编制而成的背包式设备，采用套入式直接穿戴在人体背部，肩部通过螺孔和肩部连接件相连。

10.一种力触觉再生外骨骼结构无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：定义运动模式，实现外骨骼手臂运动和无人机飞行姿态同步对应，按压拇指处的柔性压力传感器，实现无人机的启停控制，保证摇操控的精确性和稳定性；

步骤S2：腕关节顺/逆时针旋转，按压应变片，应变片模块输出电压改变，进而预测外骨骼腕关节的运动趋势，通过电机辅助外骨骼运动，从而控制远端无人机的飞行姿态；

步骤S3：肘关节活动机构向上/下运动，按压应变片，应变片模块输出电压改变，进而预测外骨骼轴关节的运动趋势，电机辅助外骨骼运动，从而控制远端无人机的飞行姿态；

步骤S4：当无人机飞行遇障时，通过建立与障碍物之间的距离与电机输出上肢运动辅助力关系，信号传输至电机，电机带动外骨骼手臂运动，改变从端无人机的飞行姿态，从而实现外骨骼的触觉再生控制。