本发明为一种面向背抱式移乘护理机器人的人体姿势识别系统，该系统通过放置于护理机器人与使用者接触部分的气囊式压力传感器阵列实时采集人机交互时产生的各个分区的压力分布及变化信息，同时在机器人上位机建立人机力学解算模型，将采集到的压力信息与力学模型结合解算出使用者实时的身体姿态，将身体姿态信息作为控制依据调整机器人姿态达到保证使用者安全舒适的目的。本发明可以实现在低成本的情况下简单、无束缚、准确的数据获取，并将人体姿势信息作为控制依据驱动机器人进行运动调整保证使用者的舒适安全性。
1.一种面向背抱式移乘护理机器人的人体姿势识别系统，该系统包括气囊式压力传感器阵列、足底压力传感器与护理机器人，所述足底压力传感器置于护理机器人放置人体双脚的踏板上；所述护理机器人采用背抱式的方式将被护理者进行位置的移动，包括机器人本体、上位机、机器人运动控制器，机器人本体包含移动部分和背抱部分，背抱部分由电动缸驱动机械臂和胸部靠板实现机器人机械臂的位置及胸部靠板角度变化将被护理者背抱起身，胸部靠板的空间位置的移动由机械臂绕机器人底盘处转动及机械臂自身的转动实现，胸部靠板的转动由机械臂与胸部靠板之间的电动缸实现；
护理机器人与人体接触的部分为胸部靠板，将人体上肢分为上胸、下胸、上腹和下腹四个部分，上胸、下胸、上腹和下腹的质心分别记为A、B、C和D，气囊式压力传感器阵列铺设在护理机器人胸部靠板上，气囊式压力传感器阵列设有四个独立工作的传感单元，每个传感单元对应检测上述的一个质心位置所受压力；气囊式压力传感器阵列连接护理机器人的上位机，通过数据采集卡将数据传送到上位机中；
S2.构建护理机器人姿态与人体上肢重量分配的人机力学解算模型：
通过在上位机中构建护理机器人姿态与人体重量分配的人机力学解算模型得到在护理机器人在任意姿态下使用者身体与护理机器人接触时不同部位所产生的压力，具体步骤如下：以护理机器人机械臂与机器人底盘相接部位为坐标原点O，以地面以上为Y方向正方向，水平方向人体所在方向为X方向正方向，建立直角坐标系；护理机器人胸部靠板与X方向的夹角记为θm，人体上肢四部分与水平夹角分别为θh1、θh2、θh3和θh4，气囊式压力传感器阵列对应的四个传感单元的压力值分别为F1、F2、F3和F4；根据人体上肢姿态受力关系满足公式(1)-(8)：f1×cos(θh1-θm)+F1×sin(θh1-θm)+F1i+G1×sinθh1＝0 (1)G1+F1i×sinθh1+F1×cosθm+f1×sinθm＝0 (2)f2×cos(θh2-θm)+F2×sin(θh2-θm)+F2i+G2×sinθh2＝0 (3)G2+F2i×sinθh2+F2×cosθm+f2×sinθm＝0 (4)f3×cos(θh3-θm)+F3×sin(θh3-θm)+F3i+G3×sinθh3＝0 (5)G3+F3i×sinθh3+F3×cosθm+f3×sinθm＝0 (6)f4×cos(θh4-θm)+F4×sin(θh4-θm)+F4i+G4×sinθh4＝0 (7)G4+F4i×sinθh4+F4×cosθm+f4×μ×sinθm＝0 (8)其中，f1、f2、f3和f4分别为人体上肢四部分分别所受摩擦力，其值f＝F×μ，μ为胸部靠板材料的摩擦系数，则f1＝F1×μ、f2＝F2×μ、f3＝F3×μ、f4＝F4×μ；θm由机器人控制器求得；
G1、G2、G3和G4分别为人体上肢四部分所受重力，G1、G2、G3和G4为人体躯干重量的四等分；F1i、F2i、F3i和F4i分别为记上胸、下胸、上腹和下腹所受内力，人体双腿与双脚占人体总重的
34.5％，则F1i、F2i、F3i和F4i的值通过公式(9)-(12)求得：式中，Fs为足底压力；
根据气囊式压力传感器阵列的数值变化通过对上述方程(1)-(12)进行联立求解在上位机中得到人体上肢四部分与水平夹角分别为θh1、θh2、θh3和θh4，从而识别人体上肢姿势；
根据人体姿势识别结果与预先设置的人体舒适姿势进行对比，将两者的差值作为控制目标带入给机器人运动控制器，使护理机器人运动并将人体姿态调整到合理位置。
2.根据权利要求1所述的面向背抱式移乘护理机器人的人体姿势识别系统，其特征在于，上肢姿势识别后，进行下肢姿势识别，具体过程是：记人体大腿长度为H1，小腿长度为H2，大腿与水平夹角为θH1，小腿与水平夹角为θH2，胸部靠板下部与人体胯部重合线的中点E的坐标记为(XE，YE)，人体足部脚后跟中点的坐标记为F(XF，YF)；
将使用者的身体数据进行测量，带入人体大腿长度为H1，小腿长度为H2，则人体下肢姿势满足公式(13)和(14)：式中，胸部靠板下部与人体胯部重合线的中点E的坐标(XE，YE)可通过机器人运动控制器中数据进行运动学正解得到，人体足部脚后跟中点的坐标点F(XF，YF)为预设值，通过将式(13)与式(14)进行求解得到人体下肢关节角度，即大腿与水平夹角为θH1，小腿与水平夹角为θH2；
通过上述步骤，人体姿势的主要关节角度均能解算求得，最终实现人体姿势识别。
一种面向背抱式移乘护理机器人的人体姿势识别系统
技术领域
[0001] 本发明涉及人体姿势识别领域，具体涉及一种面向背抱式移乘护理机器人的人体姿势识别系统。
背景技术
[0002] 我国已经要进入老龄化社会，人口的老龄化所带来的问题将会越来越严重，照顾老人的问题已经从简单的家庭问题转变为社会问题，失衡的人口比例将会给老人护理行业带来巨大的冲击，其中照顾半失能的老人的生活起居将给护理工作将会产生巨大的需求，同时会给护理人员带来更大的工作负担，所以社会对护理工作的机器人化的呼声越来越高。移乘护理机器人的产生将极大的缓解社会对护理人员的要求，此类机器人能够协助行动不便的老年人或其他被护理者在家庭、医院和护理机构等场所进行日常的不同位置的移动。
[0003] 护理机器人由于在执行运动的过程中直接与被护理者身体产生接触，在人机交互过程中，保证被护理者的安全与舒适是至关重要的要求。目前移乘护理机器人由于尚属于新兴方向，相关技术并不成熟，关于移乘护理机器人的安全控制策略研究仍在少数。移乘护理机器人的安全控制方法的主要问题在于：如何在机器人执行运动的过程中保证被护理者的安全与舒适。
[0004] 在人机交互的过程中，使用者的舒适度与自身的姿势有着十分紧密的联系，为保证使用者使用者的舒适性，护理机器人应能根据使用者的姿势进行相应的动作调整，以使人体达到较为舒适的姿势为目标。由于人体结构复杂，不能单纯将人体粗略看作刚体，否则将影响舒适度的判定。目前对人体姿势的识别主要有基于计算机视觉和基于穿戴式运动传感器的方法。中国专利201810402486.X通过计算机视觉的方法需要通过摄像头采集信息，成本较高且易受到光线等外界干扰影响对识别结果产生不确定性。中国专利CN201621078680.X采用穿戴式运动传感器的方式过程繁琐且会对使用者产生束缚从而产生负担，不宜长期佩戴。
[0005] 由于人体结构的复杂性，人体与护理机器人的接触并非完全贴合，所以人体的姿势和护理机器人的姿态并不一致，而人体的姿势是判定使用者是否舒适的重要依据，所以根据人体实际所受压力的分布情况对人体姿势进行识别是十分有必要的。由于在人机交互的过程中，为保证使用者的舒适性，护理机器人应能根据使用者的姿势进行相应的动作调整。因此，提供一种简单、无束缚、准确的人体姿势识别系统，以在人机交互过程中保证人的安全舒适性成为目前本领域技术人员要考虑的问题。
发明内容
[0006] 针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种面向背抱式移乘护理机器人的人体姿势识别系统。该系统采用气囊式压力传感器阵列收集机器人与人体接触的压力数据，通过人机力学解算模型解算得到人体姿势，可以实现在低成本的情况下简单、无束缚、准确的数据获取，并将人体姿势信息作为控制依据驱动机器人进行运动调整保证使用者的舒适安全性。
[0007] 本发明的目的是方便快捷的识别出使用者的身体姿态，从而为机器人的控制提供参考。本发明通过放置于护理机器人与使用者接触部分的气囊式压力传感器阵列实时采集人机交互时产生的各个分区的压力分布及变化信息，同时在机器人上位机建立人机力学解算模型，将采集到的压力信息与力学模型结合解算出使用者实时的身体姿态，将身体姿态信息作为控制依据调整机器人姿态达到保证使用者安全舒适的目的。
[0008] 本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种面向背抱式移乘护理机器人的人体姿势识别系统，该系统包括气囊式压力传感器阵列、足底压力传感器与护理机器人，所述足底压力传感器置于护理机器人放置人体双脚的踏板上；所述护理机器人采用背抱式的方式将被护理者进行位置的移动，包括机器人本体、上位机、机器人运动控制器，机器人本体包含移动部分和背抱部分，背抱部分由电动缸驱动机械臂和胸部靠板实现机器人机械臂的位置及胸部靠板角度变化将被护理者背抱起身，胸部靠板的空间位置的移动由机械臂绕机器人底盘处转动及机械臂自身的转动实现，胸部靠板的转动由机械臂与胸部靠板之间的电动缸实现；
[0009] 该系统采用以下步骤：
[0010] S1.信息采集与处理：
[0011] 护理机器人与人体接触的部分为胸部靠板，将人体上肢分为上胸、下胸、上腹和下腹四个部分，上胸、下胸、上腹和下腹的质心分别记为A、B、C和D，气囊式压力传感器阵列铺设在护理机器人胸部靠板上，气囊式压力传感器阵列设有四个独立工作的传感单元，每个传感单元对应检测上述的一个质心位置所受压力；气囊式压力传感器阵列连接护理机器人的上位机，通过数据采集卡将数据传送到上位机中；
[0012] S2.构建护理机器人姿态与人体上肢重量分配的人机力学解算模型：
[0013] 通过在上位机中构建护理机器人姿态与人体重量分配的人机力学解算模型得到在护理机器人在任意姿态下使用者身体与护理机器人接触时不同部位所产生的压力，具体步骤如下：
[0014] 以护理机器人机械臂与机器人底盘相接部位为坐标原点O，以地面以上为Y方向正方向，水平方向人体所在方向为X方向正方向，建立直角坐标系；护理机器人胸部靠板与X方向的夹角记为θm，人体上肢四部分与水平夹角分别为θh1、θh2、θh3和θh4，气囊式压力传感器阵列对应的四个传感单元的压力值分别为F1、F2、F3和F4；根据人体上肢姿态受力关系满足公式(1)-(8)：
[0015] f1×cos(θh1-θm)+F1×sin(θh1-θm)+F1i+G1×sinθh1＝0 (1)
[0016] G1+F1i×sinθh1+F1×cosθm+f1×sinθm＝0 (2)
[0017] f2×cos(θh2-θm)+F2×sin(θh2-θm)+F2i+G2×sinθh2＝0 (3)
[0018] G2+F2i×sinθh2+F2×cosθm+f2×sinθm＝0 (4)
[0019] f3×cos(θh3-θm)+F3×sin(θh3-θm)+F3i+G3×sinθh3＝0 (5)
[0020] G3+F3i×sinθh3+F3×cosθm+f3×sinθm＝0 (6)
[0021] f4×cos(θh4-θm)+F4×sin(θh4-θm)+F4i+G4×sinθh4＝0 (7)
[0022] G4+F4i×sinθh4+F4×cosθm+f4×μ×sinθm＝0 (8)
[0023] 其中，f1、f2、f3和f4分别为人体上肢四部分分别所受摩擦力，其值f＝F×μ，μ为胸部靠板材料的摩擦系数，则f1＝F1×μ、f2＝F2×μ、f3＝F3×μ、f4＝F4×μ；θm由机器人控制器求得；G1、G2、G3和G4分别为人体上肢四部分所受重力，F1i、F2i、F3i和F4i分别为记上胸、下胸、上腹和下腹所受内力，人体双腿与双脚占人体总重的34.5％，则F1i、F2i、F3i和F4i的值通过公式(9)-(12)求得：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 式中，Fs为足底压力；
[0029] 根据气囊式压力传感器阵列的数值变化通过对上述方程(1)-(12)进行联立求解在上位机中得到人体上肢四部分与水平夹角分别为θh1、θh2、θh3和θh4，从而识别人体上肢姿势；
[0030] 根据人体姿势识别结果与预先设置的人体舒适姿势进行对比，将两者的差值作为控制目标带入给机器人运动控制器，使护理机器人运动并将人体姿态调整到合理位置。
[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0032] 本发明通过将气囊式压力传感器阵列直接放置于机器人上通过压力及建立的人机力学解算模型从而实现无束缚的对人体姿态进行识别，同时再根据识别到的人体姿态作为护理机器人的控制依据，使护理机器人自身的姿态进行调整，最终让使用者维持在舒适姿态，能够较为精准的对人体姿势进行识别，无需使用者穿戴，对使用者不产生负担，且安装更为隐蔽方便，硬件成本可大幅降低，更易被行业人员与使用者所接受。
[0033] 本发明系统采用气囊式压力传感器，上下依次并排设置四个传感单元，形成4*1阵列形式，每个传感单元独立工作，通过分布式排列可以实现对压力分布情况的采集，成本较低，结构也较为简单，无需穿戴舒适性更好。
附图说明
[0034] 图1为气囊式压力传感器阵列；
[0035] 图2为安装有气囊式压力传感器阵列的护理机器人工作示意图；
[0036] 图3为本发明所述的对人体上肢建立的部分力学模型示意图；
[0037] 图4为本发明所述的对人体内力求解的模型图；
[0038] 图5为本发明系统组成模型图；
[0039] 图中，1、气囊式压力传感器阵列；2、胸部靠板；3、数据采集卡；4、足底压力传感器；5、上位机；6机器人运动控制器；7机器人底盘；8机械臂。
具体实施方式
[0040] 下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于详细说明本发明，不限制本申请专利的要求的保护范围。
[0041] 本发明一种面向背抱式移乘护理机器人的人体姿势识别系统(简称系统)，提供一种无束缚的快速人体姿势识别系统，该系统包括气囊式压力传感器阵列1、足底压力传感器4与移乘护理机器人，所述气囊式压力传感器阵列通过气囊在承受外力挤压时产生的气囊内气压变化信息转换为所受压力的大小信息，并通过阵列气囊的方式分别独立测量不同位置气囊的压力大小得到压力分布的信息，将数据通过数据采集卡3传送到上位机5中。所述足底压力传感器置于护理机器人放置人体双脚的踏板上，测量人体分布于双脚上的压力大小。所述移乘护理机器人采用背抱式的方式将被护理者进行位置的移动，包括机器人本体、上位机5、机器人运动控制器6，机器人本体包含移动部分和背抱部分，背抱部分的作用是将被护理者由座椅或床边等位置背抱到机器人的座椅上，背抱部分由电动缸驱动机械臂8和胸部靠板实现机器人机械臂的位置及胸部靠板角度变化将被护理者背抱起身，胸部靠板的空间位置的移动由机械臂绕机器人底盘7处转动及机械臂自身的转动实现，胸部靠板的转动由机械臂与胸部靠板之间的电动缸实现。
[0042] 该系统采用以下步骤：
[0043] S1.信息采集与处理：
[0044] 移乘护理机器人与人体接触的部分为胸部靠板，主要由人体上肢与胸部靠板产生压力，将人体上肢分为上胸、下胸、上腹和下腹四个部分，上胸、下胸、上腹和下腹的质心分别记为A、B、C和D，气囊式压力传感器阵列铺设在移乘护理机器人胸部靠板上，气囊式压力传感器阵列设有四个独立工作的传感单元，每个传感单元对应检测上述的一个质心位置所受压力；气囊式压力传感器阵列连接移乘护理机器人的上位机，通过数据采集卡将数据传送到上位机中；
[0045] S2.构建护理机器人姿态与人体上肢重量分配的人机力学解算模型：
[0046] 通过在上位机中构建护理机器人姿态与人体重量分配的人机力学解算模型得到在移乘护理机器人在任意姿态下使用者身体与护理机器人接触时不同部位所产生的压力，具体步骤如下：
[0047] 以移乘护理机器人机械臂与机器人底盘相接部位为坐标原点O，以地面以上为Y方向正方向，水平方向人体所在方向为X方向正方向，建立直角坐标系；护理机器人胸部靠板与X方向的夹角记为θm，人体上肢四部分与水平夹角分别为θh1、θh2、θh3和θh4，气囊式压力传感器阵列对应的四个传感单元的压力值分别为F1、F2、F3和F4；根据人体上肢姿态受力关系满足公式(1)-(8)：
[0048] f1×cos(θh1-θm)+F1×sin(θh1-θm)+F1i+G1×sinθh1＝0 (1)
[0049] G1+F1i×sinθh1+F1×cosθm+f1×sinθm＝0 (2)
[0050] f2×cos(θh2-θm)+F2×sin(θh2-θm)+F2i+G2×sinθh2＝0 (3)
[0051] G2+F2i×sinθh2+F2×cosθm+f2×sinθm＝0 (4)
[0052] f3×cos(θh3-θm)+F3×sin(θh3-θm)+F3i+G3×sinθh3＝0 (5)
[0053] G3+F3i×sinθh3+F3×cosθm+f3×sinθm＝0 (6)
[0054] f4×cos(θh4-θm)+F4×sin(θh4-θm)+F4i+G4×sinθh4＝0 (7)
[0055] G4+F4i×sinθh4+F4×cosθm+f4×μ×sinθm＝0 (8)
[0056] 其中，f1、f2、f3和f4分别为人体上肢四部分分别所受摩擦力，其值f＝F×μ，μ为胸部靠板材料的摩擦系数，则f1＝F1×μ、f2＝F2×μ、f3＝F3×μ、f4＝F4×μ；θm由机器人控制器求得；G1、G2、G3和G4分别为人体上肢四部分所受重力，设人体总重为G，根据人体解剖学数据，人体躯干重量为人体总重的47％，则G1、G2、G3和G4大致为人体躯干四等分即为0.1175G；由于人体结构的复杂性，人体各部分存在内力，记上胸、下胸、上腹和下腹所受内力分别为F1i、F2i、F3i和F4i，人体双腿与双脚占人体总重的34.5％，则F1i、F2i、F3i和F4i的值可通过下列方程求得：
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061] 式中，Fs为足底压力；根据气囊式压力传感器阵列的数值变化通过对上述方程进行联立求解在上位机中得到人体上肢四部分与水平夹角分别为θh1、θh2、θh3和θh4，从而识别人体上肢姿势；
[0062] S3.构建护理机器人姿态与人体下肢各关节角度的运动学模型：
[0063] 记人体大腿长度为H1，小腿长度为H2，大腿与水平夹角为θH1，小腿与水平夹角为θH2，胸部靠板下部与人体胯部重合线的中点E的坐标记为(XE，YE)，人体足部脚后跟中点的坐标记为F(XF，YF)；通过构建护理机器人姿态与人体下肢各关节角度的运动学模型得到护理机器人在任意姿态下使用者下肢各关节的角度。
[0064] S4.根据护理机器人姿态推算出人体下肢各关节角度。
[0065] 将使用者的身体数据进行测量，带入人体大腿长度为H1，小腿长度为H2，则人体下肢姿势满足以下条件：
[0066]
[0067]
[0068] 式中，胸部靠板下部与人体胯部重合线的中点E的坐标(XE，YE)可通过护理机器人运动控制器中数据进行运动学正解得到，人体足部脚后跟中点的坐标点F(XF，YF)为预设值，通过将式(13)与式(14)进行求解得到人体下肢关节角度，即大腿与水平夹角为θH1，小腿与水平夹角为θH2；
[0069] 通过上述步骤，人体姿势的主要关节角度均能解算求得，最终实现人体姿势识别。并且根据人体姿势识别结果与预先设置的人体舒适姿势进行对比，将两者的差值作为控制目标带入给护理机器人控制器，使护理机器人运动并将人体姿态调整到合理位置。
[0070] 机器人运动控制器为PMAC运动控制器，预先设置的人体舒适姿势为前期大量实验统计得到。
[0071] 结合图2，本实施例气囊式压力传感器阵列放置于护理机器人胸部靠板上，由于人体结构复杂性，人体上肢各部分并不与胸部靠板完全贴合，而是各自与水平呈一定角度，当使用者上肢与护理机器人胸部靠板接触时，与气囊式压力传感器阵列产生挤压从而使气囊内压力变化，传感器将气压变化信息传送到上位机中，上位机通过计算得出人体与机器人接触压力大小与分布信息，随后将压力信息带入建立在上位机中的人机力学解算模型，即为步骤S2中建立的方程中，求解人体各部分与水平面夹角从而达到对人体姿势进行识别的效果。再通过预先建立好的人体舒适度标准，即可根据求解识别的人体姿势对机器人的姿态进行调整，最终达到满足使用者安全舒适的目的。
[0072] 结合图5，本发明系统由气囊式压力传感器阵列和足底压力传感器采集人体压力信号，其中气囊式压力传感器阵列安装在护理机器人胸部靠板上采集使用者上肢与机器人接触压力，足底压力传感器安装在护理机器人底部踏板上采集人体足部承受压力，两个传感器将采集到压力信号发送到上位机中，通过预先建立的人机力学解算模型对人体姿势进行识别，最后通过对比当前人体姿势与标准舒适姿势对机器人的姿态与轨迹进行修正调整。
[0073] 本发明主要针对的背抱式移乘护理机器人，此类机器人的服务目标是行动不便的被护理者，在机器人与被护理人进行接触时，机器人的运动动作过程保证被护理者的安全性与舒适性至关重要。而对与被护理者来说，自身的姿势对舒适度的影响最大，护理机器人需要根据人体的姿势进行调整，以调整被护理者维持到较为舒适的姿势为目标，这就需要机器人能够高效快捷的对人体姿势进行识别。本发明使用气囊式压力传感器阵列采集机器人与人体接触的压力大小与分布信息，根据建立好的人机力学解算模型对人体姿势进行识别，结合机器人运动学模型与机器人运动控制器(是指控制电机的控制器，可以控制电机转动并读取电机当前位置)数据可较为精准的对人体姿势进行识别，能够较好满足机器人根据人体姿势进行调整的要求，安装简便、成本较低、环境抗干扰能力强且对人体无束缚。
[0074] 本发明未述及之处适用于现有技术。
