[发明专利]一种站立及转移辅助机器人及使用方法

权利要求书

1.一种站立及转移辅助机器人，其特征在于，包括控制模块、抬升模块、移动模块、定位导航模块以及对接模块，其中：

所述定位导航模块采集环境信息，并将采集的环境信息发送至控制模块；

控制模块根据所述环境信息规划移动路径，并控制移动模块根据移动路径运动；

控制模块控制抬升模块按照设定的抬升轨迹进行抬升；

对接模块对接使用者或目标位置；

所述抬升模块的结构尺寸参数通过基于生物力学仿真分析的机构优化设计得到；

所述生物力学仿真分析为在仿真环境中模拟使用者在机器人的辅助下站起这一过程，计算这一过程中使用者下肢的肌肉力输出，改变机构的尺寸参数和人体模型的身高和体重等人体测量学参数不断重复这一模拟过程，统计不同机构尺寸参数和人体模型尺寸下使用者下肢的肌肉力输出，找到能够最小化使用者下肢的肌肉力输出的一组机构尺寸参数，参照这组参数设计的机构能够在抬升使用者的过程中最小化使用者的下肢肌力输出，减少使用者的肌肉能力消耗；

所述基于生物力学仿真分析的机构优化设计的步骤如下：

步骤1：在仿真环境中搭建人机耦合模型；

步骤2：选取评价指标和确定目标函数；

步骤3：确定设计变量及设计变量约束范围；

步骤4：在设计变量约束范围内通过网格化搜索的方法得到使目标函数取值最小的最优结构尺寸参数；

步骤5：调整人体模型尺寸，得到其他人体尺寸下的最优结构尺寸参数，综合评估，得到最优机构参数尺寸；

所述步骤1还包含如下步骤：

步骤1.1：在仿真环境中建立人体全身模型，根据《中国成年人人体尺寸》国家标准调整人体模型的尺寸为中国成年人人体尺寸中百分位为95cm的人体尺寸，身高为177.5cm，人体各体段的长度也做相应的调整；

步骤1.2：将移乘搬运机器人机构模型文件导入生物力学仿真环境中；

步骤1.3：设置机器人与人体模型的连接，考虑机器人与人体的接触位置，调整人体模型的姿势，通过软件中的点接触约束使人体模型手部与扶手2，胸部和腋下与胸部支撑垫1，脚部与脚踏板21保持接触；

所述评价指标包括股外侧肌VL，股直肌RF，股内侧肌VM，胫前肌TA在机器人抬升人体过程中肌肉活动度的积分和，分别表示为A_VL，A_RF，A_VM，A_TA，所述目标函数为通过主成分分析法计算得到的目标函数,在仿真环境中尝试不同的机构尺寸参数和人体模型尺寸将人体从坐姿转换到站姿，记录下A_VL，A_RF，A_VM，A_TA数据，通过主成分分析法提取记录下的四块肌肉活动度的积分和的主成分，并将主成分加权平均得到目标函数A_total＝0.2573A_RF+0.3129A_VL+0.2714A_VM+0.1585A_TA。

2.根据权利要求1所述的站立及转移辅助机器人，其特征在于，所述抬升模块包括：胸部支撑垫(1)、U型扶手(2)、上肢推杆(3)、上肢编码器(4)、连杆(5)、立座(8)、抬升编码器(9)、抬升推杆(10)以及腿部支撑板(13)，其中：

所述U型扶手(2)与胸部支撑垫(1)紧固连接；

所述胸部支撑垫(1)与连杆(5)通过旋转关节相连；

所述上肢编码器(4)安装在胸部支撑垫(1)与连杆(5)连接的关节上；

连杆(5)和胸部支撑垫(1)之间连接有上肢推杆(3)；

所述连杆(5)通过旋转关节连接在立座(8)上；

所述抬升编码器(9)安装于连杆(5)和立座(8)连接的关节上；

所述抬升推杆(10)连接在连杆(5)和立座(8)之间；

所述腿部支撑板(13)设置在立座(8)上；

所述上肢推杆(3)，上肢编码器(4)，抬升编码器(9)，抬升推杆(10)与控制模块连接。

3.根据权利要求1所述的站立及转移辅助机器人，其特征在于，所述定位导航模块包括导航传感器(11)，所述导航传感器(11)包括二维激光雷达、三维激光雷达、声纳测距传感器以红外测距传感器中的任一种或任多种组合。