一种生物力学约束下人机交互安全测试系统及方法技术方案

本发明专利技术为一种生物力学约束下人机交互安全测试系统及方法，属于生物力学和机械手检测领域。该系统利用矩阵分布传感器建立第一层表皮组织力学模型，并利用电机控制驱动与之相连第二层肌肉骨骼质量模型，实现了自身运动的多自由度，以及测试的多自由度，为机械手的生物力学性能测试提供了平台；该方法通过计算接触点的数量、各个接触点力和形变的大小和平面坐标位置、接触点三维坐标位置实现对机械手力与位置的准确性、一致性、鲁棒性和稳定性进行测试分析。本发明专利技术方法能够实现机械手准确性、一致性、鲁棒性和稳定性等安全性特性的准确测试。试。试。

【技术实现步骤摘要】
一种生物力学约束下人机交互安全测试系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种生物力学约束下人机交互安全测试系统及方法，属于生物力学和机械手检测领域，尤其适用于生物力学约束下人机交互安全的测试系统及测试方法。

技术介绍

[0002]随着科技的进步，机器人已广泛应用于生产自动化以及人们的日常生活中。冗余度机械手臂在从事装配、医疗技术、抛光和擦洗等与环境有接触的作业时，需要对机械臂同时进行位置和力的控制，来达到最佳的作业效果。人体组织生物力学测试是用来研究机械手臂或智能体与人体组织接触的力学性能和运动学性能，有助于改进人机交互技术，开发更智能的康复设备，帮助康复患者恢复运动功能，提高康复效果。
[0003]当前，存在各种机械手臂的测试平台，使用了各种传感技术，如惯性测量单元(IMU)、光学跟踪系统、力传感器等，用于对机械手臂运动数据收集，运用数学和计算方法进行数据分析和建模，对机械手臂的力或位置进行检测。但这些测试平台都是限制于工业特定的场景的，利用机械手臂进行辅助测试，且测试的性能单一，如专利技术专利CN116175283A公开的“基于多关节机器人的在线平面度检测平台及检测方法”。对于机械手臂本体的测试的系统性平台较少，更不用说机械手臂于人体生物组织系统之间相互作用的测试平台研究了。目前，对于机械手臂在医疗辅助设备中的应用前景相当的广阔，但机械手臂与人体组织之间接触的生物力学检测仍然缺乏相应的测试系统，以保证机械手臂在运用中的性能和安全。对于机械手力与位置的准确性、一致性、鲁棒性和稳定性测试是安全性测试的重要参考指标，多自由度的机械手以及测试平台在运动的过程中的轨迹相对复杂，一般的只是考虑测量时刻数据无法准确的描述整个运动过程中的情况，而这一问题势必会导致测试结果的不准确，也是本专利技术需要解决的重要问题之一。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种生物力学约束下人机交互安全测试系统及方法，旨在通过搭建多自由度多层各向异性的生物组织模型，再结合多自由度运动装置，实现机械手与人体组织的生物力学测试系统的搭建；利用搭建好的测试系统结合误差可控方法实现机械手力与位置的准确性、一致性、鲁棒性和稳定性的准确测试。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种生物力学约束下人机交互安全测试系统，由组成第一层表皮组织力学模型、第二层肌肉骨骼质量模型、转动系统、升降系统、电控系统和数据采集服务器构成；其特征在于，所述的第一层表皮组织力学模型由皮肤层和若干个皮下组织模块组成；所述的皮肤层能够覆盖所有的皮下组织模块，为弹性塑料软垫，以一定的预紧力绷紧，且紧贴在表皮质量模块上；所述的若干个皮下组织模块呈矩阵分布；一个所述的皮下组织模块由表皮质量模块、弹簧、阻尼、位移传感器、压力传感器组成；所述的表皮质量模块为键盘表皮形状的帽扣，另一端连接到弹簧和阻尼；所述的弹簧和阻尼另一端与压力传感器相连；所述的位移传
感器为激光测距传感器，安装在骨骼质量模块上表面，用于检测第一层表皮组织力学模型的形变；所述的第二层肌肉骨骼质量模型由骨骼质量模块、并联的第二层弹簧和第二层阻尼、第二层位移传感器以及与之串联第二层压力传感器组成；所述的骨骼质量模块为金属制作的平面，上下表面分别贴上了压力传感器和第二层压力传感器；所述的第二层位移传感器为激光测距传感器，安装在骨骼质量模块下表面，用于检测第二层肌肉骨骼质量模型的形变；所述的并联的第二层弹簧和第二层阻尼分别与第二层压力传感器和转动系统相连；所述的转动系统由转动电机和转动装置组成，其中，转动电机为步进电机，转动装置为齿轮传动装置；所述的升降系统由升降电机和升降装置组成，其中，升降电机为步进电机，升降装置为丝杠螺母装置；所述的转动系统和升降系统串联，利用与它们分别相连的电控系统实现步进电机的控制；所述的电控系统为带有电机驱动和控制电路的微型计算机；所述的数据采集服务器为服务器，通过网络或串行连接分别与位移传感器、压力传感器、第二层位移传感器、第二层压力传感器、电控系统相连，实现数据的收集。
[0007]对于矩阵分布的第一层表皮组织力学模型，利用矩阵式顺序控制器实现位移传感器、压力传感器信号的读取。需要特别说明的是，该系统需要在初始时刻建立参考坐标系，可优选的是，以竖直方向为z轴，水平面为xoy，选择地面支撑固定点为原点，建立坐标系。
[0008]进一步，所述的皮下组织模块的弹性系数和阻尼系数沿着第一层表皮组织力学模型的矩阵分布的行和列呈单调均匀分布。
[0009]可优选的，所述的皮下组织模块的弹簧和阻尼是等效弹簧和等效阻尼，具体的实现中，可以采用多个弹簧和多个阻尼并联构成。
[0010]特别地，所述的阻尼为可调阻尼，对于光滑皮肤组织场景的测试，每个等效弹簧的弹性系数相等，每个等效阻尼的阻尼系数相等。对于不光滑皮肤组织场景的测试，可以调整阻尼的大小，使得等效阻尼的大小呈单调均匀的分布。
[0011]进一步，所述的转动系统数量为二，可实现水平面内两个自由度的旋转。
[0012]进一步，相邻的两个表皮质量模块之间由于皮肤层的存在，有横向的相互作用力，可在骨骼质量模块上表面安装一个相机，用于识别表皮质量模块之间的横向位移。
[0013]应用于一种生物力学约束下人机交互安全测试系统，本专利技术提供一种生物力学约束下人机交互安全测试方法，该方法包含以下步骤：
[0014]S1：初始时刻，对待测试的机械手输入驱动信号进行运动控制，控制待测试的机械手接触皮肤层；使得皮肤层发生相应的形变，进一步导致第一层表皮组织力学模型和第二层肌肉骨骼质量模型发生位移；
[0015]S2：通过数据采集服务器获取位移传感器、压力传感器的信号，计算出第一层表皮组织力学模型对应的矩阵分布中相应元素位置的形变和受力；
[0016]S3：数据采集服务器利用步骤S2计算出的相应元素位置的位移判断机械手是接触点的数量；
[0017]S4：数据采集服务器利用力的分解，以及力与力矩的平衡原理，建立第一层表皮组织力学模型，并利用相应元素位置的位移和受力计算出机械手各个接触点力和形变的大小和平面坐标位置；
[0018]S5：通过数据采集服务器获取第二层位移传感器、第二层压力传感器的信号，计算出第二层肌肉骨骼质量模型的形变和受力，并计算出机械手的接触点三维坐标位置；
[0019]S6：利用电控系统控制转动系统和升降系统升降位移和倾角，实现对机械手力与位置的准确性、一致性、鲁棒性和稳定性进行测试分析；
[0020]其中，步骤S6所述的准确性的测试为：控制电控系统使得转动系统和升降系统静止于某一指定位置时，判断机械手的接触点数量，接触点力的大小和位置是否准确；
[0021]步骤S6所述的一致性的测试为：控制电控系统使得转动系统和升降系统按照设定路径进行运动，判断路径全过程中机械手的接触点数量，接触点力的大小和位置是否准确；
[0022]步骤S6所述的鲁棒性的测试为：持续的对电控系统输入随机的小扰动信号，使得转动系统或升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物力学约束下人机交互安全测试测试系统，由组成第一层表皮组织力学模型(1)、第二层肌肉骨骼质量模型(2)、转动系统(3)、升降系统(4)、电控系统(5)和数据采集服务器(6)构成；其特征在于，所述的第一层表皮组织力学模型(1)由皮肤层(11)和若干个皮下组织模块(12)组成；所述的皮肤层(1)能够覆盖所有的皮下组织模块(12)，为弹性塑料软垫，以一定的预紧力绷紧，且紧贴在表皮质量模块(1201)上；所述的若干个皮下组织模块(12)呈矩阵分布；一个所述的皮下组织模块(12)由表皮质量模块(1201)、弹簧(1202)、阻尼(1203)、位移传感器(13)、压力传感器(14)组成；所述的表皮质量模块(1201)为键盘表皮形状的帽扣，另一端连接到弹簧(1202)和阻尼(1203)；所述的弹簧(1202)和阻尼(1203)另一端与压力传感器(14)相连；所述的位移传感器(13)为激光测距传感器，安装在骨骼质量模块(21)上表面，用于检测第一层表皮组织力学模型(1)的形变；所述的第二层肌肉骨骼质量模型(2)由骨骼质量模块(21)、并联的第二层弹簧(2201)和第二层阻尼(2202)、第二层位移传感器(23)以及与之串联第二层压力传感器(24)组成；所述的骨骼质量模块(21)为金属制作的平面，上下表面分别贴上了压力传感器(14)和第二层压力传感器(24)；所述的第二层位移传感器(23)为激光测距传感器，安装在骨骼质量模块(21)下表面，用于检测第二层肌肉骨骼质量模型(2)的形变；所述的并联的第二层弹簧(2201)和第二层阻尼(2202)分别与第二层压力传感器(23)和转动系统(3)相连；所述的转动系统(3)由转动电机(31)和转动装置(32)组成，其中，转动电机(31)为步进电机，转动装置(32)为齿轮传动装置；所述的升降系统(4)由升降电机(41)和升降装置(42)组成，其中，升降电机(41)为步进电机，升降装置(42)为丝杠螺母装置；所述的转动系统(3)和升降系统(4)串联，利用与它们分别相连的电控系统(5)实现步进电机的控制；所述的电控系统(5)为带有电机驱动和控制电路的微型计算机；所述的数据采集服务器(6)为服务器，通过网络或串行连接分别与位移传感器(13)、压力传感器(14)、第二层位移传感器(23)、第二层压力传感器(24)、电控系统(5)相连，实现数据的收集。2.根据权利要求1所述的一种生物力学约束下人机交互安全测试测试系统，其特征在于，所述的皮下组织模块(12)的弹性系数和阻尼系数沿着第一层表皮组织力学模型(1)的矩阵分布的行和列呈单调均匀分布。3.根据权利要求1所述的一种生物力学约束下人机交互安全测试测试系统，其特征在于，所述的转动系统(3)数量为二，可实现水平面内两个自由度的旋转。4.根据权利要求1所述的一种生物力学约束下人机交互安全测试测试系统，其特征在于，相邻的两个所述的第一层表皮组织力学模型(1)上的表皮质量模块(1201)之间由于皮肤层(11)的存在，有横向的作用力相连，在骨骼质量模块(21)上安装一个相机(8)，用于识别表皮质量模块(1201)之间的横向位移。5.一种生物力学约束下人机交互安全测试测试方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：S1：初始时刻，对待测试的机械手(7)输入驱动信号进行运动控制，控制待测试的机械手(7)接触皮肤层(11)；使得皮肤层(11)发生相应的形变，进一步导致第一层表皮组织力学模型(1)和第二层肌肉骨骼质量模型(2)发生位移；S2：通过数据采集服务器(6)获取位移传感器(13)、压力传感器(14)的信号，计算出第一层表皮组织力学模型(1)对应的矩阵分布中相应元素位置的形变和受力；
S3：数据采集服务器(6)利用步骤S2计算出的相应元素位置的位移判断机械手(7)是接触点的数量；S4：数据采集服务器(6)利用力的分解，以及力与力矩的平衡原理，建立第一层表皮组织力学模型(1)，并利用相应元素位置的位移和受力计算出机械手(7)各个接触点力和形变的大小和平面坐标位置；S5：通过数据采集服务器(6)获取第二层位移传感器(23)、第二层压力传感器(24)的信号，计算出第二层肌肉骨骼质量模型(2)的形变和受力，并计算出机械手(7)的接触点三维坐标位置；S6：利用电控系统(5)控制转动系统(3)和升降系统(4)升降位移和倾角，实现对机械手(7)力与位置的准确性、一致性、鲁棒性和稳定性进行测试分析；其中，步骤S6所述的准确性的测试为：控制电控系统(5)使得转动系统(3)和升降系统(4)静止于某一指定位置时，判断机械手(7)的接触点数量，接触点力的大小和位置是否准确；步骤S6所述的一致性的测试为：控制电控系统(5)使得转动系统(3)和升降系统(4)按照设定路径进...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘捷，尚明生，何国田，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：