一种用于水中救援的两栖外骨骼机器人系统

1.本发明涉及洪水救灾辅助机器人技术领域，具体地，涉及一种用于水中救援的两栖外骨骼机器人系统。


背景技术：

2.目前仅就2020年，全国发生33次大范围强降水，原则上每一次强降水的发生都有可能导致洪水灾害，最近几年国内洪水灾害愈发频繁，水灾强度和受影响人群范围也不断创下新高，无数人的生命财产安全都受到巨大的威胁，而在洪水救援中，救援人员就是遇险人员的守护神。但是由于洪水的巨大冲击力和阻力，救援人员在水中行走难度很大，会快速消耗大量的体力，导致搜救时间有限，搜救效率不高，失去了援救的最佳时机，同时也会使救援人员自身陷入危险的境地。每次在洪水救援中都会有救援人员被洪水冲走，最终在洪水裹挟中救援人员体力快速耗尽，很难坚持到全部获救。因此两栖助力装置对他们来说可以帮助他们节省很多体力，也间接提高他们面对洪水时的安全性和保障能力，一方面保证他们在水中行走的体力消耗减小，一方面万一被洪水冲走，同时具备游泳姿势助力的外骨骼也可以大幅增加他们的存活几率。
3.近年来为了实现外骨骼机器人的助力更加精准和自然，实现对多种运动姿态的助力，基于意图感知的外骨骼机器人逐渐流行起来，融入了生物电信号的检测，可以提前于人类动作之前辨别出助力的动作姿态，从而可以实时的根据人类动作的改变可持续助力。同时近年来水下外骨骼机器人也开始被不断地研究，他们主要着眼于单泳姿的意图感知，但是水下环境复杂多变，如果只能感知一种泳姿显然是不符合实际需求，救援人员在水灾救援过程中也有可能同时面对水中行走和水下游泳多种救援环境，因此在利用生物电技术精准识别运动意图的基础之上，研究多种运动姿态的意图感知和水陆两栖外骨骼机器人提高救援人员的安全保障具有很大的现实意义。
4.经现有技术检索发现，中国实用新型专利公告号为cn205127318u，公开了一种穿戴式水下辅助推进装置，涉及潜水装备领域，包括机械外骨骼系统、一对手臂动力推动装置、一对腿部动力推动装置和电源模块，所述一对手臂动力推动装置、一对腿部动力推动装置分别安装在机械外骨骼系统的手臂前端和脚末端，所述手臂动力推动装置包括旋转驱动用电机、转轴和一对旋转拨水片，所述转轴通过轴承活动安装在机械外骨骼系统上的手臂前端，所述一对旋转拨水片呈弧形。该专利技术存在上述问题。
5.经现有技术检索发现，中国实用新型专利公告号为cn112936232a，公开了一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，包括基础结构模块，所述基础结构上设置有传感器、控制模块、执行模块以及防水模块；基础结构模块包括腰部紧固件和两个腿部紧固件，两个腿部紧固件均通过执行模块与腰部紧固件连接，执行模块用于辅助髋关节转动并带动使用者的腿部上下摆动；传感器用于检测人体腿部的运动状态，且传感器将检测到的运动数据发送到控制模块；控制模块用于接收并处理传感器发送的运动数据，控制模块控制执行模块运动。该专利技术存在上述问题。
6.因此，本发明结构简单，操作方便，实用性强，利用生物电信号精准识别技术提前预判救援人员动作提供助力，同时可以在水中行走和水下游泳进行救活动，灵活多变，实际使用效果更好。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于水中救援的两栖外骨骼机器人系统。
8.根据本发明提供的一种用于水中救援的两栖外骨骼机器人系统，包括传感模块、基础模块以及刚性下肢外骨骼；
9.所述传感模块包括肌电传感器和惯性传感器，所述基础模块包括处理模块和驱动模块，所述刚性下肢外骨骼模块包括防水背包；
10.所述惯性传感器固定设置在关节皮肤表面处，所述肌电传感器固定设置在小腿和大腿处，所述惯性传感器设置在所述肌电传感器下方；
11.所述驱动模块与所述处理模块均设置在所述防水背包内，所述驱动模块与所述处理模块连接设置，且所述驱动模块固定设置在所述处理模块下方；
12.所述惯性传感器与所述肌电传感器用于接收动作意图信号，所述动作意图信号反馈给所述处理模块与所述驱动模块，所述驱动模块用于指示所述刚性下肢外骨骼做出相应动作提供助力。
13.一些实施方式中，所述防水背包通过背带固定设置在救援人员身体背后，所述防水背包经过严格的防水处理，所述防水背包内部固定设置有电池。
14.一些实施方式中，所述电池下方连接设置有无线接收发送模块，所述无线接收发送模块下方连接设置所述处理模块，所述处理模块下方连接设置所述驱动模块。
15.一些实施方式中，所述防水背包内部固定设置有油路，所述油路上固定设置有液压阀门。
16.一些实施方式中，所述刚性下肢外骨骼还包括髋关节、膝关节、大腿连杆以及小腿连杆；所述髋关节连接设置所述大腿连杆，且所述大腿连杆上方固定设置有第一液压马达；所述大腿连杆连接设置所述膝关节，所述膝关节连接设置所述小腿连杆，且所述小腿连杆上方固定设置有第二液压马达，所述小腿连杆的末端连接设置在救援人员脚上。
17.一些实施方式中，所述髋关节与所述油路连接设置，所述膝关节与所述油路连接设置。
18.一些实施方式中，所述肌电传感器电联接所述电池，所述惯性传感器电联接所述电池，所述肌电传感器与所述惯性传感器均经过严格的防水处理。
19.一些实施方式中，所述油路、所述大腿连杆以及所述小腿连杆延伸设置在所述防水背包的的出口处，所述出口经过封闭防水处理。
20.一些实施方式中，所述驱动模块内部固定设置有微型处理器。
21.一些实施方式中，所述肌电传感器与所述惯性传感器收集救援人员在水中行走和水下游泳时的动作意图信号，所述动作意图信号经过无线通信传输数据到所述处理模块，所述处理模块对人类在陆地和水下所作的动作包括但不限于步行和泳姿，对这些动作在关节处产生的肌电和惯性信号进行采集，对其进行预处理即简单的滤波，过滤掉无用的信号，
对有用的信号进行放大以便使用；特征提取即对每个动作的特征信号收集，特征信号的不同代表了动作的不同；分类功能即根据每种动作的特征信号的不同，判断出救援人员的运动状态是在陆地上步行还是在水下游泳；所述动作意图信号处理后反馈给所述驱动模块，所述驱动模块控制所述液压阀门与两个所述液压马达工作，所述刚性下肢外骨骼做出相应动作实现对所述髋关节和所述膝关节的助力。
22.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
23.1、本发明通过设置惯性和肌电传感器提前获得救援人员动作之前的生物电信号作为对比，在救援人员做出不同的动作时进行特征识别，根据肌电信号预测下一步动作，控制刚性下肢外骨骼做出相应动作完成最佳的助力工作；
24.2、本发明通过设置惯性传感器采集信号做运动分类，可以区别救援人员是在水中行走还是在水下游泳；基于运动意图感知预测可以对救援人员动作做到精准助力，起到长续航、操作性简单、适应性强的作用；
25.3、本发明通过设置具有较好刚度的刚性外骨骼，在洪水水流湍急时，刚性外骨骼可以在救援人员行走和可能被洪水冲走的情况下起到一定的支撑作用，大大提高了人身安全。
附图说明
26.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
27.图1为本发明用于水灾救援的两栖外骨骼机器人系统的结构示意图；
28.图2为本发明用于水灾救援的两栖外骨骼机器人系统的传感器安装示意图；
29.附图标记：
30.具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
32.如图1所示为用于水灾救援的两栖外骨骼机器人系统的结构示意图，如图2所示为用于水灾救援的两栖外骨骼机器人系统的传感器安装示意图。包括传感模块、基础模块以及刚性下肢外骨骼。传感模块包括肌电传感器14和惯性传感器15，基础模块包括处理模块4和驱动模块5，刚性下肢外骨骼模块包括防水背包1。
33.惯性传感器15固定设置在关节皮肤表面处，肌电传感器14固定设置在小腿和大腿
处，惯性传感器15设置在肌电传感器14下方。驱动模块5与处理模块均设置在防水背包1内，驱动模块5与处理模块4连接设置，且驱动模块5固定设置在处理模块4下方。惯性传感器15与肌电传感器14用于接收动作意图信号，动作意图信号反馈给处理模块4与驱动模块5，驱动模块5用于指示刚性下肢外骨骼做出相应动作提供助力。
34.防水背包1通过背带固定设置在救援人员身体背后，防水背包1经过严格的防水处理，防水背包1内部固定设置有电池2。电池2下方连接设置有无线接收发送模块3，无线接收发送模块3下方连接设置处理模块4，处理模块4下方连接设置驱动模块5。
35.防水背包1内部固定设置有油路7，油路7上固定设置有液压阀门6。
36.刚性下肢外骨骼还包括髋关节8、膝关节9、大腿连杆11以及小腿连杆13。髋关节8连接设置大腿连杆11，且大腿连杆11上方固定设置有第一液压马达10。大腿连杆11连接设置膝关节9，膝关节9连接设置小腿连杆13，且小腿连杆13上方固定设置有第二液压马达12，小腿连杆13的末端连接设置在救援人员脚上。
37.髋关节8与油路7连接设置，膝关节9与油路7连接设置。肌电传感器14电联接电池2，惯性传感器15电联接电池2，肌电传感器14与惯性传感器15均经过防水处理。油路7、大腿连杆11以及小腿连杆13延伸设置在防水背包1的出口处，出口经过封闭防水处理。驱动模块5内部固定设置有微型处理器。
38.工作原理：肌电传感器14与惯性传感器15收集救援人员在水中行走和水下游泳时的动作意图信号，动作意图信号经过无线通信传输数据到处理模块4，处理模块4对动作意图信号进行预处理、特征提取以及分类功能，判断出救援人员的运动状态，处理模块4对人类在陆地和水下所作的动作包括但不限于步行和泳姿，对这些动作在关节处产生的肌电和惯性信号进行采集，对其进行预处理即简单的滤波，过滤掉无用的信号，对有用的信号进行放大以便使用；特征提取即对每个动作的特征信号收集，特征信号的不同代表了动作的不同；分类功能即根据每种动作的特征信号的不同，判断出救援人员的运动状态是在陆地上步行还是在水下游泳；动作意图信号处理后反馈给驱动模块5，驱动模块5控制液压阀门6与两个液压马达工作，刚性下肢外骨骼做出相应动作实现对髋关节8和膝关节9的助力。
39.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
40.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。