一種基于腦電信號控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)及示教方法
【專利說明】一種基于腦電信號控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)及示教方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，它提出一種智能的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，特別涉及于一種基于腦電信號控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)及示教方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]腦電信號(EEG)是指腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動在大腦皮層的總體反映。人體大腦在一定感官信號刺激下可以產(chǎn)生多種電信號，根據(jù)頻率的不同可以分為α波(13-25赫茲)、β波(8-13赫茲)、Θ波(4-8赫茲)和δ波(0.5-4赫茲)等。腦電信號包含了多種生理和病理信息，不僅可以為一些疾病提供臨床診斷依據(jù)，而且還能提供一些有效的治療手段。除此之外，在近些年來一些醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)研究和設(shè)計中，人們通過腦機(jī)接口(BCI)提取和分析人體大腦對不同感覺、運動或者認(rèn)知活動的電信號，并將其轉(zhuǎn)化為某種控制信號控制機(jī)器人的運動。
[0005]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的一大分支，開始越來越多出現(xiàn)在工廠的生產(chǎn)線上，比如機(jī)器人噴漆，機(jī)器人碼垛，機(jī)器人焊接等。在這些工作領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)器人可以代替人完成高強(qiáng)度高精度的重復(fù)性工作，以保持工作進(jìn)行的一致性。在機(jī)器人完成規(guī)定動作前，工人們需要對機(jī)器人的運動軌跡進(jìn)行編程規(guī)劃，現(xiàn)有的規(guī)劃方法主要分為離線編程示教和在線示教。前者主要指建立精確的機(jī)器人模型，采用一定的坐標(biāo)算法將機(jī)器人末端位置精確的轉(zhuǎn)換到機(jī)器人基準(zhǔn)坐標(biāo)系，然后根據(jù)工件的CAD模型規(guī)劃處機(jī)器人末端工具的連續(xù)運動軌跡。該方法可以對機(jī)器人運動進(jìn)行精確的規(guī)劃，但是由于實際工作環(huán)境的復(fù)雜性，會對機(jī)器人的運動產(chǎn)生一定干擾。在線示教指的是工人操作機(jī)器人的示教器將安裝在機(jī)器人末端的吸盤、焊槍等工具運動到其工作部位，并記錄下此時末端位置的坐標(biāo)，根據(jù)機(jī)器人需要完成的多個位置坐標(biāo)規(guī)劃出最佳的運動軌跡，完成特定的操作任務(wù)。該方法可以只考慮機(jī)器人實際坐標(biāo)位置，適用于對機(jī)器的人精度要求不高的工作。該方法主要依靠操作者的經(jīng)驗，操作者目測決定機(jī)器人的運動位置，精度較低不適用于焊接等要求較高的任務(wù)。除此之外，該方法對操作人員的體力消耗比較大容易產(chǎn)生疲勞感，且在機(jī)器人工作的危險環(huán)境下會對操作者的人身安全造成影響。
[0006]因此，綜合上述兩種示教方法的優(yōu)點，將腦電信號控制方法融入工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)之中，利用腦電信號控制工業(yè)機(jī)器人完成示教任務(wù)，在提高機(jī)器人運動精度的同時，大大減緩操作者的勞動強(qiáng)度，是工業(yè)機(jī)器人更加人性化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)提出一種基于腦電信號控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)及示教方法，目的在于提高機(jī)器人示教過程的精度，使操作過程更加簡便準(zhǔn)確，并且減少操作者的工作強(qiáng)度。 本發(fā)明提供的一種能夠利用生物反饋信號(腦電信號)控制工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行示教學(xué)習(xí)訓(xùn)練的系統(tǒng)，主要包括視覺系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、腦電信號系統(tǒng)、工作站、電機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人和一些相關(guān)傳感器等。視覺系統(tǒng)用來采集工業(yè)機(jī)器人當(dāng)前的位置信息并建立虛擬的空間基坐標(biāo)系。人機(jī)交互系統(tǒng)將虛擬的機(jī)器人空間坐標(biāo)系呈現(xiàn)給操作者并刺激其大腦產(chǎn)生腦電信號。腦電信號系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集操作者的腦電信號，并進(jìn)行信號的提取和分析。工作站將腦電信號轉(zhuǎn)換成電機(jī)的控制信號控制機(jī)器人進(jìn)行運動，安裝在機(jī)器人上的傳感器實時采集機(jī)器人的運動信息并反饋給工作站。
[0008]本發(fā)明構(gòu)建出一個視覺采集-視覺刺激-人體大腦-腦電信號處理-計算機(jī)信息處理與控制-驅(qū)動單元-機(jī)器人運動-大腦這樣一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。操作者可以用自己腦電信號控制工業(yè)機(jī)器人完成前期的示教任務(wù)，在減緩自身勞動強(qiáng)度的同時，提高工業(yè)機(jī)器人示教過程中的精度。
[0009]本發(fā)明提供的工業(yè)機(jī)器人是一種三自由度工業(yè)并聯(lián)機(jī)器人，主要包括:上六邊形定平臺，下六邊形定平臺，搖臂，動平臺，連接桿，伺服電機(jī)，電機(jī)支架，圓柱形連接塊，光電傳感器和旋轉(zhuǎn)球頭。該并聯(lián)機(jī)器人主體支架為兩塊等規(guī)格大小6_厚的六邊形鋁板定平臺，上下兩塊鋁板定平臺通過三個圓柱形連接塊和三塊電機(jī)支架用螺栓進(jìn)行連接，每塊鋁板定平臺上都設(shè)計有若干個通孔，用來將機(jī)器人和外置架子進(jìn)行連接，以及安裝小型的攝像頭。下六邊形定平臺上設(shè)計有Imm深的矩形槽用來固定電機(jī)支架，伺服電機(jī)利用螺栓固定在電機(jī)支架上。搖臂通過一端的法蘭盤固定在伺服電機(jī)上，搖臂另一端上有3mm的螺紋孔，用來連接兩個連接桿。連接桿兩端都安裝有M3旋轉(zhuǎn)球頭，并通過兩端的旋轉(zhuǎn)球頭連接搖臂和動平臺。動平臺通過六個連接桿始終與機(jī)器人下六邊形定平臺保持平行，動平臺上面可以安裝吸盤、焊槍等加工工具。三塊光電傳感器通過螺紋連接固定在下六邊形定平臺上，用來檢測運動過程中搖臂是否回歸零點位置。
[0010]所述工業(yè)并聯(lián)機(jī)器人材料主要選擇鋁合金、銅、碳和尼龍等輕型材料。三個同型號的伺服電機(jī)安裝在下六邊形定平臺上，每個伺服電機(jī)通過法蘭盤帶動一個搖臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動。每個搖臂通過兩個連接桿帶動動平臺執(zhí)行延X軸、Y軸和Z軸三個軸的直線運動。通過一定的控制算法可以使安裝在動平臺上的加工工具完成一些復(fù)雜的任務(wù)。
[0011]
本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果:
1.本發(fā)明的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)采用基于腦電信號控制方法，首先將生物電信號技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，將人體的生物電信號作為機(jī)器人輸入的控制信號，控制機(jī)器完成前期的示教任務(wù)。結(jié)合當(dāng)前兩種主流的機(jī)器人示教方法，利用腦電信號控制不僅可以提高機(jī)器人示教精度，而且可以大大減緩操作者在示教過程中的勞動強(qiáng)度，提高操作者的工作積極性。
[0012]2.本發(fā)明融入了視覺系統(tǒng)建模技術(shù)，視覺系統(tǒng)通過采集當(dāng)前機(jī)器人的實際位置建立機(jī)器人虛擬的基坐標(biāo)系統(tǒng)模型，將理論建模與實際建模進(jìn)行結(jié)合，提高了建模的精度。
[0013]3.本發(fā)明的工業(yè)機(jī)器人，主要采用鋁合金、銅、碳和尼龍等輕型材料，在保證機(jī)器人運動剛度的同時，減輕機(jī)器人的整體重量。
[0014]4.該工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)采用一些傳感器技術(shù)，實時客觀的反饋機(jī)器人的運動信息，提高機(jī)器人完成工作任務(wù)的精確度。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1是基于腦電信號控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)框圖。
[0017]圖2是工業(yè)并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)整體示意圖。
[0018]圖中，1.上六邊形定平臺，2.下六邊形定平臺，3.搖臂，4.動平臺，5.連接桿，6.伺服電機(jī)，7.電機(jī)支架，8.圓柱形連接塊，9.光電傳感器。
【具體實施方式】
[0019]一、基于腦電信號控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成
如圖1所示，是本發(fā)明提供的基于腦電信號控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)框圖，主要包括視覺系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、腦電信號系統(tǒng)、工作站、電機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人和一些相關(guān)傳感器等。視覺系統(tǒng)用來采集工業(yè)機(jī)器人實時