專利名稱：掰手腕機(jī)器人和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及服務(wù)機(jī)器人或娛樂機(jī)器人，并且更具體地說，涉及模擬人類 掰手腕的掰手腕機(jī)器人。
背景技術(shù)：
根據(jù)提供對(duì)抗參賽者的臂力的反作用力的裝置，常規(guī)掰手腕設(shè)備可以大 致分成三種類型。第一種類型是利用彈簧力，而這種類型的典型實(shí)例有美國
專利No. 3,947,025，其中掰手腕訓(xùn)練設(shè)備由如圖la所示的具有可調(diào)節(jié)剛度 的螺旋盤簧組成。這種類型的其它實(shí)例有美國專利6，652，428; 5,458,554; 5,431,616; 4,卯0，019; 3，662，602;以及俄羅斯專利No. 2，128，539。與這種類 型類似的有中國專利2691654,在該專利中系統(tǒng)被裝載重量。 .
第二種類型的掰手腕設(shè)備使用氣缸或液壓缸，從力的可操控性上來看， 這種類型優(yōu)于先前的彈簧類型，然而這種類型的弱點(diǎn)在于，系統(tǒng)因?yàn)橛脕砩?成氣壓或液壓的輔助設(shè)備而變得復(fù)雜而龐大，并且因此可能變得很昂貴。這 種類型的典型發(fā)明有如圖lb所示的美國專利No. 5,842,958和如圖lc所示 的美國專利No. 4,805,900。這種類型的 一 些其它發(fā)明有美國專利No. 3,400,793; 4,406,454; 4,754,964;以及日本專利公開No. 55-54969。
第三種類型的掰手腕設(shè)備使用電動(dòng)馬達(dá)而不是彈簧或氣缸/液壓缸以達(dá) 到生成對(duì)抗用戶的抵抗力的目的，絕大多數(shù)的新近掰手腕設(shè)備都屬于這種類 型。這種類型的典型發(fā)明有如圖Id所示的日本專利公開No. 06-315544，其 中轉(zhuǎn)矩馬達(dá)用于生成臂力，并且傳感器盤和光傳感器用于檢測臂速以防止將 參賽者摔骨折。這種類型的另一實(shí)例為日本專利公開No. 54-161436。
然而，發(fā)明前述設(shè)備的目的是為了進(jìn)行單一的掰手腕比賽或進(jìn)行力量訓(xùn)
練，其中，它們通常生成固定的力量等級(jí)(可以通過按鈕或其它裝置選^^力 量等級(jí))。如果參賽者具有比掰手腕設(shè)備更大的力量，那么他將獲勝，否則 他將在比賽中失敗。因此，缺點(diǎn)在于，在若干次嘗試后，參賽者很快就會(huì)對(duì) 這種掰手腕設(shè)備感到厭煩。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種掰手腕機(jī)器人和控制方法，其不單 一且不容易令人厭煩，尤其是，其在比賽的初期階段檢測用戶的最大臂力， 每次都以用戶不能提前預(yù)測力量模式的方式自動(dòng)或隨機(jī)生成不同的掰手腕 場景，利用與機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的反饋信號(hào)和與作用在機(jī)械臂上的轉(zhuǎn)矩相關(guān) 的反饋信號(hào)來執(zhí)行力反饋控制以實(shí)施該場景，從而使得用戶能夠獲得或強(qiáng)或 弱的臂力而無需通過按鈕或任何其它裝置進(jìn)行任何調(diào)整。
本發(fā)明的另一目的是提供一種掰手腕機(jī)器人和控制方法，其通過用戶想 要獲勝的意愿影響比賽獲勝的概率的方式來提高和保持掰手腕的樂趣。
通過以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的特性和 優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。


圖la-ld是如現(xiàn)有技術(shù)所用的典型掰手腕設(shè)備的示圖。
圖2a是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括安裝環(huán)境的掰手腕機(jī)器人的透視圖。
圖2b是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的臂力生成機(jī)構(gòu)的透視圖。
圖2c是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例與轉(zhuǎn)接器相連的傾斜計(jì)的透視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的控制系統(tǒng)的框圖。圖。
圖4b是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括控制程序的力反饋控制原理的示 意圖。
圖5a示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的有關(guān)轉(zhuǎn)矩命令和實(shí)際轉(zhuǎn)矩的示例性曲線圖。
圖5b示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的有關(guān)期望位置和經(jīng)過位置反饋控制的實(shí) 際位置的示例性曲線圖。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的有關(guān)掰手腕機(jī)器人的控制方法的流程圖。 圖7-9a示出有關(guān)控制方法的詳細(xì)流程圖。
圖9b是示出測量自八個(gè)二十多歲的年輕人的最大臂力的圖表。 圖10a和圖10e示出有關(guān)掰手腕機(jī)器人的控制方法的詳細(xì)流程圖。 圖10b是示出當(dāng)前臂角為IO度的的獲勝、平局和失敗子場景的圖表。 圖10c是有關(guān)示例性意愿分?jǐn)?shù)和對(duì)應(yīng)的獲勝概率的圖表。 圖10d示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的子場景的力量模式。 圖11示出贏得比賽的意愿強(qiáng)烈和意愿薄弱的兩個(gè)參賽者所測試的示例 性曲線圖。
圖12是示出用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方式以及用戶與掰手腕機(jī)器人之間的實(shí)
際參賽的場景的圖片。
圖13是由生成相同力量模式的 一 個(gè)用戶測試兩次的示例性曲線圖。 圖14a是示出用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一方式并示出72歲的女士參加掰手
腕的圖片。
圖14b是示出圖14a的掰手腕結(jié)果的示例性曲線圖。 圖15a示出25歲的年輕人與圖14a的掰手腕機(jī)器人之間進(jìn)行比賽的情 景以及比賽結(jié)果。
圖15b示出IO歲的兒童與圖14a的掰手腕機(jī)器人之間進(jìn)行比賽的情景 以及比賽結(jié)果。
圖16a是示出一個(gè)用戶與圖14a的掰手腕機(jī)器人進(jìn)行了 26次掰手腕比 賽時(shí)的每次比賽實(shí)耗時(shí)間以及獲勝或失敗的圖表。
圖16b是概括兩個(gè)用戶與圖14a的掰手腕機(jī)器人都進(jìn)行了 26次掰手腕 比賽時(shí)的結(jié)果的圖表。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及掰手腕機(jī)器人，其主要包括臂力生成機(jī)構(gòu)IO(以下的標(biāo)號(hào) 表示圖2a、圖2b、圖2c以及圖3中的標(biāo)號(hào))以及控制系統(tǒng)100。臂力生成 機(jī)構(gòu)IO主要包括電動(dòng)馬達(dá)11、位置/速度傳感器12、轉(zhuǎn)矩傳感器15以及機(jī) 械臂A。控制系統(tǒng)100在比賽的初期階段檢測用戶的最大臂力，每次生成不 同的比賽場景，并且執(zhí)行力反饋控制邏輯并生成馬達(dá)控制輸入信號(hào)，以利用 來自位置/速度傳感器12的與機(jī)械臂A的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的反饋信號(hào)以及來自轉(zhuǎn)矩 傳感器15的與作用在機(jī)械臂A上的轉(zhuǎn)矩相關(guān)的反饋信號(hào)來實(shí)現(xiàn)該場景。
更具體地，圖2a示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括安裝環(huán)境的掰手腕機(jī)器 人(以下稱為"掰手腕機(jī)器人，，)，其中示出桌子T、在桌子T上仿造人體 上半部的主體B、安裝在右側(cè)的(或者，安裝在左側(cè)的)臂力生成機(jī)構(gòu)10、 連接在主體B上并為用戶顯示指導(dǎo)消息的圖像輸出顯示器20a、在桌子T前 的椅子C、在桌子T的前部上的兩個(gè)超聲波傳感器30a和30b以及在桌子T 下方的光電傳感器30c。雖然沒有在圖2a中顯出，但是還預(yù)備有在桌子下方 的控制系統(tǒng)100、用以指導(dǎo)用戶的語音輸出揚(yáng)聲器20b。
兩個(gè)超聲波傳感器30a和30b (還有可能是一個(gè)超聲波傳感器或多個(gè)超 聲波傳感器)被連接在桌子T的前部的右側(cè)和左側(cè)，并且在掰手腕機(jī)器人附 近的指定范圍的角度內(nèi)檢測人的靠近。 一般來說，超聲波傳感器與其它類型 的傳感器相比具有高的抗擾性的優(yōu)點(diǎn)并且能夠很容易測量任何情況下靠近 的人的距離。利用紅外線的超聲波傳感器30c檢測人坐在椅子C上，與其它 類型的傳感器相比，它檢測很窄范圍角度內(nèi)的物體。
為了指導(dǎo)參賽者，預(yù)備了圖像輸出顯示器20a和/或語音輸出揚(yáng)聲器20b (在圖3中)，并且語音輸出揚(yáng)聲器可以與圖像輸出顯示器20a成一體或者 可以單獨(dú)安裝在桌子T的合適位置。
更具體地如圖2b所示，臂力生成機(jī)構(gòu)10包括電動(dòng)馬達(dá)11,其根據(jù) 由控制系統(tǒng)100計(jì)算出的馬達(dá)控制輸入信號(hào)提供必需的轉(zhuǎn)矩；位置/或速度
傳感器12，其檢測馬達(dá)11的角位置和角速度，并且為控制系統(tǒng)100提供與 角轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的反饋信號(hào)；減速器13,其連接至馬達(dá)ll,降低達(dá)ll的速度并 增加馬達(dá)ll的轉(zhuǎn)矩；帶有手A的機(jī)械臂，其中用戶握住手A進(jìn)行掰手腕比 賽；轉(zhuǎn)矩傳感器15，其安裝在減速器13和機(jī)械臂A之間，并且檢測作用在 機(jī)械臂A上的轉(zhuǎn)矩；帶有機(jī)械制動(dòng)器14的轉(zhuǎn)接器16，其安裝在減速器13 和機(jī)械臂A之間，并且被用來限制機(jī)械臂A運(yùn)動(dòng)的角范圍以保證用戶的安 全；以及底盤17，其支持馬達(dá)11和制動(dòng)器座臺(tái)18,并且它本身固定在桌子 T上。臂力生成機(jī)構(gòu)10利用馬達(dá)11產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使得機(jī)械臂A沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 方向或者逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
為了更高的分辨率，理想地選用增量式編碼器作為其中的位置/速度傳 感器12 (其它類型的位置/速度傳感器也是可能的)，并且理想地選用諧波 驅(qū)動(dòng)而不是常規(guī)的齒輪作為減速器13，這是由于常規(guī)的齒輪具有巨大的反 沖并且這樣會(huì)給轉(zhuǎn)矩控制性能造成麻煩。
帶有機(jī)械制動(dòng)器14的轉(zhuǎn)接器16進(jìn)一步被用來通過馬達(dá)11的低速控制 來設(shè)置機(jī)械臂A的初始絕對(duì)角。下面給出絕對(duì)角的初始設(shè)定的詳細(xì)描述。 機(jī)械臂的絕對(duì)角的初始設(shè)定也能夠通過使用如圖2c中所示的傾斜計(jì)19中的 一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)而不是使用機(jī)械制動(dòng)器14來實(shí)現(xiàn)。
安裝在減速器13和機(jī)械臂A之間的轉(zhuǎn)矩傳感器15應(yīng)該具有合理的分 辨率以得到合理的力控制性能。
底盤17具有多個(gè)固定孔H并且起到了利用螺栓和螺母或利用類似裝置 將臂力生成機(jī)構(gòu)10固定到桌子T的作用。然而，無需使用底盤17而將臂力 生成機(jī)構(gòu)10直接固定到桌子T是可能的。
圖3示出控制系統(tǒng)100，其包括放大來自轉(zhuǎn)矩傳感器15的低電平電壓 信號(hào)并實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)整的放大器部分110,調(diào)整來自位置/速度傳感器12的反 饋信號(hào)的邏輯電路部分130,為超聲波傳感器30a和30b生成脈沖信號(hào)的脈 沖生成部分120，根據(jù)馬達(dá)控制輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)11的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分140， 驅(qū)動(dòng)語音輸出揚(yáng)聲器20b和圖像輸出顯示器20a的輸出裝置部分150 ，存儲(chǔ)
包括控制邏輯和場景的控制程序200的存儲(chǔ)部分160,以及控制部分170， 該控制部分170利用控制程序200和反饋信號(hào)生成馬達(dá)控制輸入信號(hào)并將該 馬達(dá)控制輸入信號(hào)傳送至馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分140，并且生成語音和圖像信號(hào)并將 所述語音和圖像信號(hào)傳送至輸出裝置部分150。
A/D轉(zhuǎn)換器101a插在放大器部分110和控制部分170之間以將模擬電 壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制部分170能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，還有A/D轉(zhuǎn)換器101b-101d 類似地被插在傾斜計(jì)19和控制部分170之間、超聲波傳感器30a-30b和控 制部分170之間以及光電傳感器30c和控制部分170之間。D/A轉(zhuǎn)換器101e 被插入在控制部分170和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分140之間，以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬 電壓信號(hào)。
如圖3所示，控制系統(tǒng)IOO進(jìn)一步包括馬達(dá)電源控制部分180,該馬達(dá) 電源控制部分180包括固態(tài)繼電器182，其接收來自控制部分170的初始 化完成信號(hào)并發(fā)送相應(yīng)的輸出信號(hào)給機(jī)械繼電器184;以及機(jī)械繼電器184， 其根據(jù)來自固態(tài)繼電器182的輸出信號(hào)連接電源P和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分140;該 控制系統(tǒng)還包括電力線上的馬達(dá)電源開關(guān)MS,以便只有在控制部分170進(jìn) 行的初始化進(jìn)程:故完成時(shí)才將電力P施加到馬達(dá)11上。
當(dāng)控制部分170由于某些原因停機(jī)時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器101e仍然可以輸出 停機(jī)狀態(tài)之前的馬達(dá)控制輸入的最后信號(hào)，這樣，在這種條件下，如果電力 重新施加到馬達(dá)ll上，可能會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。
為了解決上述問題，控制部分170通過D/A轉(zhuǎn)換器101f或數(shù)字輸出針 將初始化完成信號(hào)傳送至馬達(dá)電源控制部分180，并且當(dāng)在控制部分170進(jìn) 行的初始化進(jìn)程完成時(shí)將零值通過D/A轉(zhuǎn)換器101e發(fā)送至馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分 140 (當(dāng)主開關(guān)113被按下后初始化進(jìn)程開始)。然后，馬達(dá)電源控制部分 180根據(jù)依次由初始化完成信號(hào)激勵(lì)的固態(tài)繼電器182的輸出信號(hào)開啟機(jī)械 繼電器184以將電力P提供給馬達(dá)11。
因此，由于電力并沒有被傳送到馬達(dá)11，所以即使在完成初始化進(jìn)程
之前或在控制系統(tǒng)170的異常條件下馬達(dá)電源開關(guān)MS被接通時(shí)，用戶安全
也能得到保證。
控制系統(tǒng)100利用力反饋控制邏輯控制機(jī)械臂A的力量和運(yùn)動(dòng)，其中 根據(jù)子場景生成轉(zhuǎn)矩命令。 一完成子場景的執(zhí)行，就預(yù)備在力量增加和力量 維持時(shí)間方面具有隨機(jī)特性的下一個(gè)子場景?？梢栽谀莻€(gè)瞬間在線生成這個(gè) 子場景或者可以在預(yù)先準(zhǔn)備的許多子場景中選擇這個(gè)子場景。掰手腕的場景 由若干這些子場景組成。下面給出該場景的詳細(xì)描述。
掰手腕機(jī)器人的基本工作原理如圖4a所示，并且更具體地，如圖4b所 示。也就是說，控制系統(tǒng)100接收來自位置/速度傳感器12的實(shí)際角位置和 角速度的反饋信號(hào)以及來自轉(zhuǎn)矩傳器15的實(shí)際轉(zhuǎn)矩的反饋信號(hào)，利用反饋 信號(hào)和場景來計(jì)算轉(zhuǎn)矩命令，并通過利用力反饋控制邏輯生成馬達(dá)控制輸入 信號(hào)來控制機(jī)械臂A。
力控制性能主要依賴于來自這些傳感器的反饋信號(hào)的精確性、包括采樣 時(shí)間的精確性的實(shí)時(shí)控制能力，以及力反饋控制邏輯本身。圖5a示出當(dāng)用 戶與掰手腕機(jī)器人進(jìn)行掰手腕時(shí)有關(guān)轉(zhuǎn)矩命令(虛線)和實(shí)際轉(zhuǎn)矩(實(shí)線) 的示例性曲線圖。在圖5a中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間[秒],縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)矩[N'm]。
力反饋控制在掰手腕機(jī)器人進(jìn)行掰手腕時(shí)起到了關(guān)鍵的作用，但是位置 反饋控制對(duì)于使機(jī)械臂A旋轉(zhuǎn)到開始位置并設(shè)定機(jī)械臂A的初始絕對(duì)角來 說是必需的。圖5b示出有關(guān)掰手腕機(jī)器人的位置反饋控制的結(jié)果的示例性 曲線圖。在圖5b中，期望位置由實(shí)線來表示，實(shí)際位置由虛線來表示。圖 5b中的右側(cè)曲線是大約6.5秒的左側(cè)曲線的放大曲線。
當(dāng)把增量式編碼器用作位置/速度傳感器12時(shí)，需要最初設(shè)置機(jī)械臂A 的絕對(duì)零位。該機(jī)械臂角度的初始設(shè)置利用機(jī)械制動(dòng)器14和速度反饋控制 來實(shí)現(xiàn)。更具體地，控制部分170利用位置反饋控制來順時(shí)針或逆時(shí)針緩慢 地驅(qū)動(dòng)馬達(dá)ll，并測量轉(zhuǎn)矩傳感器15的轉(zhuǎn)矩值。如果測得的轉(zhuǎn)矩比指定的 值大，由于該大的測量轉(zhuǎn)矩意味著機(jī)械制動(dòng)器14碰到了制動(dòng)器座臺(tái)18,那 么控制部分17 0就將當(dāng)前的角位置設(shè)置為絕對(duì)角的指定度數(shù)。
絕對(duì)臂角的初始設(shè)置還可利用另外的元件，如多個(gè)傾斜計(jì)19來實(shí)現(xiàn)，
而不使用機(jī)械制動(dòng)器14，不過這樣臂力生成機(jī)構(gòu)IO就會(huì)更復(fù)雜并且可能會(huì) 更昂貴。
以下描述控制掰手腕機(jī)器人的方法。如圖6所示，該方法主要包括三個(gè) 步驟。在步驟1 (S110)中，將臂力生成機(jī)構(gòu)IO和控制系統(tǒng)100初始化并 完成機(jī)械臂A的初始角的設(shè)置。在步驟2(S130)中，根據(jù)來自于轉(zhuǎn)矩傳感 器15的反饋信號(hào)，在指定的時(shí)間間隔內(nèi)測量用戶的最大臂力。在步驟3 (S140)中，臂力生成機(jī)構(gòu)10由力反饋控制來激勵(lì)以執(zhí)行掰手腕場景。
上述方法還可以在步驟1 (S110)和步驟2 (S130)之間進(jìn)一步包括另 一個(gè)步驟S120,在S120中，利用多個(gè)超聲波傳感器30a-30b檢測人靠近掰 手腕機(jī)器人，并且利用光電傳感器30c;險(xiǎn)測人坐到椅子C上。
如圖7所示，步驟l.(SllO)包括階段l-l(Slll),將臂力生成機(jī) 構(gòu)IO和控制系統(tǒng)IOO初始化；階段1-2(S112),將初始化完成信號(hào)傳送給 馬達(dá)電源控制部分180，并根據(jù)轉(zhuǎn)矩命令"零位"將馬達(dá)控制輸入信號(hào)傳送 給馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分140;階段1-3 (S113),在馬達(dá)電源控制部分180接收到 初始化完成信號(hào)后，將電源P施加到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分140;以及階段1-4 (S114),設(shè)置機(jī)械臂A的初始絕對(duì)角。
如圖8所示，S120包括階段S121，通過超聲波傳感器30a和30b檢 測人靠近掰手腕機(jī)器人；階段S122，如果檢測到人，則通過語音和圖像消 息指導(dǎo)這個(gè)人，否則，重復(fù)階段S121;階段S123,檢測人坐到椅子C上； 階段S124,如果人坐到椅子C上，則通過語音和圖像消息指導(dǎo)這個(gè)人，否 則，重復(fù)階段S123。
在階段S122和S124中，指導(dǎo)語音消息可以是"您好，歡迎光臨掰手腕 機(jī)器人！如果您想要掰手腕，請(qǐng)坐到椅子上"，"如果您準(zhǔn)備好了，請(qǐng)握住 我的手開始吧，，，等等。圖像消息可以是各種變化多端的面部表情的體現(xiàn)和 /或是適合于掰手腕情形的文本顯示。詳細(xì)的指導(dǎo)消息就不在此贅述，這是 因?yàn)檫@些消息是掰手腕機(jī)器人的增補(bǔ)功能，并且在不偏離本發(fā)明的范圍的情 況下可以有所變化。
如圖9a所示,步驟2 (S130)包括階段2-1 (S131)，將作用在機(jī)械 臂A上的轉(zhuǎn)矩增加到指定值；階段2-2 ( S132 ),確定機(jī)械臂A的速度是正 向還是反向；階段2-3(S133)，如果機(jī)械臂A是正向的，則根據(jù)指定的規(guī) 則來增加作用在機(jī)械臂A上的轉(zhuǎn)矩；階段2-4(S134)，如果機(jī)械臂A是反 向的，則根據(jù)指定的規(guī)則來減小作用在機(jī)械臂A上的轉(zhuǎn)矩；以及階段2-5， 在指定的時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)階4殳2-2 (S132)到階^爻2-4 (S134),并且確定 用戶的最大臂力。
圖9b示出示例性的圖表，該圖表示出利用步驟2 (S130)的過程測得 的八個(gè)二十多歲的年輕人的最大臂力。在該圖表中，第一欄和第三欄代表測
試號(hào)碼，第二欄和第四欄代表以N.m為單位測量的最大臂力。
如圖10a所示，步驟3 (S140)包括階段3-1 (S141),首先在獲勝、 平局和失敗子場景中選擇一個(gè)子場景；階段3-2(S142),利用在執(zhí)行所選 擇的場景期間由轉(zhuǎn)矩傳感器15測得的用戶的平均臂力以及在步驟2 (S130) 中測得的用戶的最大臂力來計(jì)算出用戶的意愿分?jǐn)?shù)；階段3-3 (S143)，根 據(jù)在階段3-2 (S142)中計(jì)算出的意愿分?jǐn)?shù)，在多個(gè)子場景中選擇下一個(gè)子 場景；階段3-4(S144),確定所選擇的子場景屬于獲勝、平局和失敗子場 景中的哪一個(gè)；階段3-5(S145)，如果所選擇的子場景是平局子場景，那 么在完成與平局子場景相應(yīng)的力反饋控制后返回階段3-2( S142);階段3-6 (S146),如果所選擇的子場景是獲勝子場景，那么在完成與獲勝子場景相 應(yīng)的力反饋控制后結(jié)束比賽；以及階段3-7 (S147),如果所選擇的子場景 是失敗子場景，那么在完成與失敗子場景相應(yīng)的力反饋控制后結(jié)束比賽。
關(guān)于專門術(shù)語， 一次比賽的完成要使用多個(gè)子場景，并且一次掰手腕場 景(或僅僅一場景)由一組若干子場景組成。
獲勝子場景意味著轉(zhuǎn)矩命令值的顯箸減??；失敗子場景意味著轉(zhuǎn)矩命令 值的顯著增加；而平局子場景意味著轉(zhuǎn)矩命令值的輕微增加、輕微減小或不 變化。子場景通過預(yù)先確定好間隔進(jìn)行劃分，然而獲勝、平局和失敗子場景 的分組則要依據(jù)當(dāng)前的臂角，并且要利用規(guī)定的規(guī)則來完成。圖10b示出當(dāng)
前臂角值為IO度的示例性子場景，其中每個(gè)子場景都從-150度到150度被 劃分為IO度的間隔。例如，圖10b的圖表中的編號(hào)8~ 15被劃分為在當(dāng)前 臂角下人獲勝的子場景。
在階段3-2(S142)中，意愿分?jǐn)?shù)是通過以下公式來計(jì)算的。 意愿分?jǐn)?shù)=(一種子場景期間的平均臂力)/ (用戶的最大臂力)x ioo 當(dāng)意愿分?jǐn)?shù)越接近100時(shí)，認(rèn)為用戶贏得比賽的意愿越強(qiáng)。當(dāng)意愿分?jǐn)?shù) 越接近O時(shí)，認(rèn)為用戶贏得比賽的意愿越弱。掰手腕機(jī)器人的掰手腕的進(jìn)行 受到如圖10c所示的意愿分?jǐn)?shù)和示例性概率的影響，在圖10c中，第一欄代 表意愿分?jǐn)?shù)值；第二欄代表人獲勝概率；第三欄代表平局概率；第四欄代表 人失敗概率。
步驟3可以用與圖10a不同的方式來實(shí)現(xiàn)。也就是說，步驟3可以通過 在線生成以力量增量、上升時(shí)間和維持時(shí)間為特性的子場景來實(shí)現(xiàn)，如圖 10d所示，所有這三個(gè)值都是隨機(jī)確定的。在圖10d中，橫坐標(biāo)代表時(shí)間， 縱坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)矩等級(jí)。如圖10d所示，子場景中力量的增加或減小要靠多項(xiàng) 式曲線，如機(jī)器人臂力的直線或其它平滑過渡的曲線來實(shí)現(xiàn)。
圖10e示出另一步驟3，該步驟3包括階4爻3-l (S151)，調(diào)節(jié)在步驟2 (S130)確定的最大臂力；階段3-2(S152),隨機(jī)確定持續(xù)值；階段3-3 (S153),生成具有隨機(jī)力量增量、隨機(jī)上升時(shí)間和隨機(jī)維持時(shí)間的子場景； 階段3-4(S154)，執(zhí)行在階段3-3(S153)生成的子場景；階段3-5(S155), 檢查用戶是否獲勝，并且如果獲勝則結(jié)束比賽；階段3-6(S156),檢查用 戶是否失敗，并且如果失敗則結(jié)束比賽；階段3-7(S157)，檢查子場景是 否完成，如果沒有完成則重復(fù)階段3-4 (S154)至階段3-7 (S157);階段 3-8 (S158),檢查持續(xù)值是否等于零，并且如果不等于零則轉(zhuǎn)到階段3-9 (S159),如果等于零則轉(zhuǎn)到階段3-10 (S160);階段3-9 (S159),將 持續(xù)值減1并轉(zhuǎn)到階段3-3 (S153);以及階段3-10 (S160),按照指定的 方式減小最大臂力，并轉(zhuǎn)到階段3-2 (S152)。
在步驟3(S150)中，隨著時(shí)間變化，需要持續(xù)值變量隨機(jī)地形成平均
機(jī)器人力量的遞減比率。
圖11示出贏得比賽的意愿強(qiáng)烈和意愿薄弱的兩個(gè)參賽者(利用步驟
S140)所測試的示例性曲線圖。在圖11中，上面的實(shí)線代表用戶的意愿分 數(shù)，下面的實(shí)線代表不同度數(shù)的臂角。這些圖示出比賽期間意愿分?jǐn)?shù)的變化 以及強(qiáng)烈的獲勝意愿會(huì)增加人的獲勝概率。
的情景的圖片。圖13是生成相同力量模式的一個(gè)用戶(利用步驟S140)與 圖12中的掰手腕機(jī)器人進(jìn)行兩次測試的示例性曲線圖。圖13示出即使用 戶生成相同的力量模式，比賽的結(jié)果還有可能不同。圖13中的曲線(a)對(duì) 應(yīng)于用戶獲勝的情況，曲線(b)對(duì)應(yīng)于用戶失敗的情況。在曲線(a)和曲 線(b)中，上面的實(shí)線代表用戶的意愿分?jǐn)?shù)，下面的實(shí)線代表不同度數(shù)的 臂角。
圖14a示出用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明(使用第S150步)的另一方式以及72歲的 女士與掰手腕機(jī)器人對(duì)抗的情景的圖片。圖14b是圖14a的比賽結(jié)果的示例 性曲線圖。圖14b中的曲線(a)和曲線(b)示出轉(zhuǎn)矩命令(藍(lán)色實(shí)線)、 實(shí)際轉(zhuǎn)矩(灰色實(shí)線)、角速度(紅色實(shí)線)和臂角(灰色虛線)。曲線(a) 對(duì)應(yīng)于該老年女士失敗的情況，曲線(b)對(duì)應(yīng)于該老年女士獲勝的情況。 從曲線(a)和曲線(b)中，能看出即使是相同的人來玩，每場比賽中掰手 腕機(jī)器人生成的力量模式以及掰手腕的實(shí)耗時(shí)間都是不 一樣的。
圖15a示出25歲的年輕人與圖14a中的掰手腕機(jī)器人之間進(jìn)行比賽的 情景以及比賽的結(jié)果。圖15b示出IO歲的兒童與圖14a中的掰手腕機(jī)器人 之間進(jìn)行比賽的情景以及比賽的結(jié)果。年輕人一結(jié)束圖15 a的比賽，兒童 便開始了圖15b的比賽。盡管年輕人產(chǎn)生了大概50N .m的轉(zhuǎn)矩，兒童產(chǎn)生 了大概20N m的轉(zhuǎn)矩，但掰手腕比賽在無需對(duì)掰手腕機(jī)器人進(jìn)行任何改變 的情況下順利地進(jìn)行。換句話說，本發(fā)明的掰手腕機(jī)器人具有根據(jù)用戶臂力 的大小自動(dòng)生成合適的力量等級(jí)的功能。
圖16a是示出一個(gè)用戶與圖14a的掰手腕機(jī)器人進(jìn)行了 26次掰手腕比
賽時(shí)的每次比賽實(shí)耗時(shí)間以及獲勝/失敗的圖表。從圖16 a中的圖表中，能 看出每次比賽的實(shí)耗時(shí)間都不同，并且每次比賽的結(jié)果也不相同，因此掰手 腕帶來的樂趣能維持很長時(shí)間。
圖16b是概括兩個(gè)用戶與圖14a的掰手腕機(jī)器人都進(jìn)行了 26次掰手腕 比賽時(shí)的結(jié)果的圖表。圖16b中的圖表示出第一位用戶的獲勝概率為63%， 第二位用戶的獲勝概率為75%。
另外，本發(fā)明不局限于上述的實(shí)例，而是還包括在不偏離其精神的范圍 內(nèi)的進(jìn)一步的若干修改。雖然已經(jīng)針對(duì)優(yōu)選實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，不 過本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的是，在不偏離本發(fā)明所附權(quán)利要求中所限定的 本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明做出各種改變和修改。 工業(yè)適用性
本發(fā)明的掰手腕機(jī)器人的主要功能特點(diǎn)有(i )掰手腕機(jī)器人在檢測 到人的臂力后自動(dòng)生成適合每個(gè)人的力量等級(jí)，因此無論人的力量是大還是 小都能來玩掰手腕；(ii )每次比賽生成的力量模式都不一樣，因此一個(gè)人 能與機(jī)器人長時(shí)間地玩掰手腕而不會(huì)感到厭煩；以及(iii)機(jī)器人獲勝的平 均數(shù)是在比賽開始的瞬間隨機(jī)確定的，而且人想在比賽中獲勝的意愿會(huì)影響 到機(jī)器人獲勝的平均數(shù)。
由于以上特點(diǎn)，本發(fā)明可適用于娛樂部門供人們娛樂，適用于服務(wù)部門 以促進(jìn)老年人健康，以及適用于教育部門以滿足學(xué)生的好奇心。
權(quán)利要求
1.一種掰手腕機(jī)器人，包括臂力生成機(jī)構(gòu)，包括電動(dòng)馬達(dá)、位置/速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和機(jī)械臂A；以及控制系統(tǒng)，用于在比賽初期階段檢測用戶的最大臂力，每次生成不同的比賽場景，以及執(zhí)行力反饋控制邏輯并生成馬達(dá)控制輸入信號(hào)以實(shí)施該場景。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掰手腕機(jī)器人，其中所述控制系統(tǒng)利用力反 饋控制邏輯來控制所述機(jī)械臂的力量和運(yùn)動(dòng)，并且其中根據(jù)在力量增量和力 持續(xù)時(shí)間方面具有隨機(jī)特性的子場景來自動(dòng)生成轉(zhuǎn)矩命令。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掰手腕機(jī)器人，其中所述臂力生成機(jī)構(gòu)包括 電動(dòng)馬達(dá)，根據(jù)由所述控制系統(tǒng)計(jì)算出的馬達(dá)控制輸入信號(hào)來提供必要的轉(zhuǎn)矩；位置/速度傳感器，用于檢測所述馬達(dá)的角位置和角速度，并為所述控 制系統(tǒng)提供與角運(yùn)動(dòng)相關(guān)的反饋信號(hào)；減速器，被連接至所述馬達(dá)，用于降低所述馬達(dá)的速度并增加所述馬達(dá) 的轉(zhuǎn)矩；帶有手的機(jī)械臂，用戶可以握住該手來進(jìn)行掰手腕比賽； 轉(zhuǎn)矩傳感器，被安裝在所述減速器與所述機(jī)械臂之間，并用于檢測作用在所述機(jī)械臂上的轉(zhuǎn)矩；以及帶有機(jī)械制動(dòng)器的轉(zhuǎn)接器，被安裝在所述減速器與所述機(jī)械臂之間，并被用來限制所述機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)范圍以保證用戶的安全。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掰手腕機(jī)器人，其中所述控制系統(tǒng)包括 放大器部分，用于放大來自所述轉(zhuǎn)矩傳感器的低電平電壓并實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)下5邏輯電路部分，用于調(diào)節(jié)來自所述位置/速度傳感器的反饋信號(hào)； 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分，根據(jù)馬達(dá)控制輸入信號(hào)來驅(qū)動(dòng)所述馬達(dá)； 輸出裝置部分，用于驅(qū)動(dòng)語音輸出裝置和圖像輸出裝置； 存儲(chǔ)部分，用于存儲(chǔ)包括控制邏輯的控制程序；以及 控制部分，利用所述控制程序和所述反饋信號(hào)生成所述馬達(dá)控制輸入信 號(hào)并將所述馬達(dá)控制輸入信號(hào)傳送至所述馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分，并且生成語音和圖 像信號(hào)并將所述語音和圖像信號(hào)傳送至所述輸出裝置部分。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的掰手腕機(jī)器人，其中所述帶有機(jī)械制動(dòng)器的 轉(zhuǎn)接器進(jìn)一 步用于通過所述馬達(dá)的低速控制來設(shè)置所述機(jī)械臂的初始角。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的掰手腕機(jī)器人，其中所述臂力生成機(jī)構(gòu)進(jìn)一 步包括位于所述轉(zhuǎn)接器上的多個(gè)傾斜計(jì)，以用于設(shè)置所述機(jī)械臂的所述初始 角。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的掰手腕機(jī)器人，其中所述控制系統(tǒng)進(jìn)一步包 括多個(gè)超聲波傳感器，用于檢測人靠近所述掰手腕機(jī)器人；脈沖生成部分， 用于為所述超聲波傳感器生成脈沖信號(hào)；以及光電傳感器，用于檢測人坐到 椅子上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的掰手腕機(jī)器人，其中所述控制系統(tǒng)進(jìn)一步包 括馬達(dá)電源控制部分，該馬達(dá)電源控制部分包括接收來自所述控制部分的初 始化完成信號(hào)并向機(jī)械繼電器發(fā)送相應(yīng)的輸出信號(hào)的固態(tài)繼電器，以及根據(jù) 來自所述固態(tài)繼電器的所述輸出信號(hào)將所述馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分與電源連接的機(jī) 械繼電器。
9、 一種用于控制根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的掰手腕機(jī)器人的方法，包括步驟1:將所述臂力生成機(jī)構(gòu)和所述控制系統(tǒng)初始化并完成所述機(jī)械臂 的初始角的i殳置；步驟2:根據(jù)來自所述轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)，在指定的時(shí)間間隔內(nèi)測量所 述用戶的最大臂力；以及步驟3:通過力量反饋控制來激勵(lì)所述臂力生成機(jī)構(gòu)以執(zhí)行掰手腕場景。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，在所述步驟l和所述步驟2之間進(jìn)一 步包括另一個(gè)步驟，在該步驟中，利用多個(gè)超聲波傳感器檢測人靠近所述掰 手腕機(jī)器人，并利用光電傳感器來檢測人坐到椅子上。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述步驟l包括 階段1-1:將所述臂力生成機(jī)構(gòu)和所述控制系統(tǒng)初始化；階段1-2:將初始化完成信號(hào)傳送至所述馬達(dá)電源控制部分，并將所述 馬達(dá)控制輸入"零位"傳送至所述馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分；階段1-3:在所述馬達(dá)電源控制部分接收到所述初始化完成信號(hào)后，將 電源施加到所述馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分；以及階段l-4:設(shè)置所述機(jī)械臂的初始絕對(duì)角。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述步驟2包括 階段2-1:將作用在所述機(jī)械臂上的轉(zhuǎn)矩增加到指定值； 階段2-2:確定所述機(jī)械臂的速度是正向還是反向；階段2-3:如果所述速度是正向的，則利用指定的規(guī)則增加作用在所述 機(jī)械臂上的所述轉(zhuǎn)矩；階段2-4:如果在所述階段2-2的所述速度是反向的，則利用指定的規(guī) 則減小作用在所述機(jī)械臂上的所述轉(zhuǎn)矩；以及階段2-5:在指定的時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)所述階段2-2到所述階段2-4，并確 定所述用戶的最大臂力。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述步驟3包括 階段3-l:首先在獲勝、平局和失敗子場景中選擇一個(gè)子場景；階段3-2:利用所述選擇的子場景執(zhí)行期間的平均臂力計(jì)算所述用戶的 意愿分?jǐn)?shù)；階段3-3:根據(jù)在所述階段3-2計(jì)算出的所述意愿分?jǐn)?shù)，在多個(gè)子場景 中選擇下一個(gè)子場景；階段3-4:—確定所述選擇的子場景屬于獲勝、平局和失敗子場景中的哪 一 + - 階段3-5:如果所述選擇的子場景是所述平局子場景，則在完成與所述 平局子場景對(duì)應(yīng)的力反饋控制后返回到所述階段3-2;階段3-6:如果所述選擇的子場景是所述獲勝子場景，則在完成與所述 獲勝子場景對(duì)應(yīng)的力反饋控制后結(jié)束所述比賽；以及階段3-7:如果所述選擇的子場景是所述失敗子場景，則在完成與所述 失敗子場景對(duì)應(yīng)的力反饋控制后結(jié)束所述比賽。
14、根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述步驟3包括階段3-l:調(diào)節(jié)在所述步驟2確定的所述最大臂力；階段3-2:隨機(jī)確定所述持續(xù)值；階段3-3:生成具有隨機(jī)力量增量、隨機(jī)上升時(shí)間和隨機(jī)維持時(shí)間的子 場景；階段3-4:執(zhí)行在所述階段3-3生成的所述子場景； 階段3-5:檢查所述用戶是否獲勝，并且如果獲勝則結(jié)束所述比賽； 階段3-6:檢查所述用戶是否失敗，并且如果失敗則結(jié)束所述比賽； 階段3-7:檢查所述子場景是否完成，并且如果未完成則重復(fù)所述階段3-4至所述階段3-7;階段3-8:檢查所述持續(xù)值是否等于零，并且如果不等于零則轉(zhuǎn)到階段3-9，如果等于零則轉(zhuǎn)到階段3-10;階段3-9:將所述持續(xù)值減少1，并轉(zhuǎn)到所述階段3-3;以及 階段3-10:按照指定的方式減小所述最大臂力，并轉(zhuǎn)到所述階段3-2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種掰手腕機(jī)器人，該掰手腕機(jī)器人主要包括臂力生成機(jī)構(gòu)10和控制系統(tǒng)100，該控制系統(tǒng)100在比賽初期階段檢測用戶的最大臂力，每次生成不同的比賽場景，并執(zhí)行力反饋控制以實(shí)施該場景。
文檔編號(hào)A63F9/00GK101370560SQ200680052786
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2006年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月13日
發(fā)明者姜喆求 申請(qǐng)人:姜喆求