本發(fā)明屬于機(jī)器人與生物肌電領(lǐng)域。具體涉及一種利用人體上肢姿態(tài)和表面肌電信號控制移動機(jī)器臂運(yùn)動的技術(shù)與方法。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人不僅在工業(yè)領(lǐng)域，同時在醫(yī)療康復(fù)，餐飲服務(wù)，軍事探索等領(lǐng)域發(fā)揮越來越大作用。在機(jī)器人的控制方式中，人機(jī)交互和遙操作受到廣泛的關(guān)注。在一些危險(xiǎn)和復(fù)雜的工作環(huán)境中，機(jī)器人正在逐漸代替人類。機(jī)器人大多數(shù)采用按鍵、手柄和遙控的遙操作方式，這些方式上人機(jī)交互不夠友好。

目前，已有大量的實(shí)驗(yàn)利用陀螺儀和視頻捕捉裝置（Kinect）等外部設(shè)備通過捕捉人體肢體動作來控制機(jī)器臂的運(yùn)動，但現(xiàn)有的技術(shù)對機(jī)器臂的只能固定在靜止的工作平臺。人類的腦電信號和肌電信號控制移動機(jī)器人運(yùn)動也在快速發(fā)展，但通過這些方法只能對機(jī)器人特定的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行控制，而不能有效的并且實(shí)時的控制移動機(jī)器人的運(yùn)動速度。隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，若將機(jī)器臂和移動機(jī)器人的控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)一種可遠(yuǎn)程控制的移動機(jī)器臂，充分發(fā)揮兩種技術(shù)優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遙操作效果。

目前，關(guān)于機(jī)器人的遙操作控制的專利主要有：

中國公開專利號：CN105014676，名稱：一種機(jī)器人運(yùn)動控制方法。該發(fā)明設(shè)計(jì)了一種可遠(yuǎn)程控制機(jī)器人運(yùn)動的系統(tǒng)，由Myo臂環(huán)和遠(yuǎn)程移動機(jī)器人組成。Myo臂環(huán)采集人體上肢的肌電信號通過藍(lán)牙傳送給電腦或者智能手機(jī)，然后經(jīng)過Myo提供的SDK識別出操作者的手勢。單片機(jī)通過接收到的手勢信息來控制移動機(jī)器人系統(tǒng)中的電機(jī)或鴕機(jī)。該發(fā)明利用人體的表面機(jī)電信號來識別手勢，進(jìn)而控制機(jī)器人，具有識別率高、成本低廉、人機(jī)交互好和能夠克服環(huán)境噪聲干擾的優(yōu)點(diǎn)。但該發(fā)明功能不齊全，運(yùn)用手勢控制機(jī)器人的運(yùn)動方向，沒有考慮機(jī)器人所處的環(huán)境，當(dāng)機(jī)器人處在開闊和人流密集的環(huán)境以相同的速度行駛，明顯降低了機(jī)器人的使用效率。

中國公開專利號：CN103991492，名稱：一種基于Kinect技術(shù)的智能小車。該發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于Kinect技術(shù)的智能小車，由地盤、轉(zhuǎn)軸總成、車輪總成、Kinect傳感器、計(jì)算機(jī)和下位機(jī)組成。利用Kinect視覺傳感器采集到操作人員的肢體動作或者操作人員的語音指令后，傳遞給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對所接受的肢體動作或者語音信息進(jìn)行解析后，向下位機(jī)發(fā)出指令，進(jìn)而控制智能小車的運(yùn)動狀態(tài)。該發(fā)明通過識別操作者的動作或者語音，可以精確的控制小車。但是，該發(fā)明功能過于簡單，沒有考慮小車所處的環(huán)境，當(dāng)校車處在開闊和人流密集的環(huán)境以相同的速度行駛，明顯降低了機(jī)小車的工作效率，而且，當(dāng)有噪音或Kinect與操作者之間有障礙物時，該發(fā)明將無法繼續(xù)工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：以現(xiàn)有的可穿戴設(shè)備，充分利用操作者手臂表面的肌電信號和手臂的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)一種可遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器臂運(yùn)動方向和速度的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)由一個近端控制子系統(tǒng)和一個遠(yuǎn)端移動機(jī)器臂子系統(tǒng)組成。近端控制子系統(tǒng)包括生物肌電采集模塊和姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊。生物肌電采集模塊由可穿戴表面肌電采集環(huán)構(gòu)成，如附圖2所示，姿態(tài)數(shù)據(jù)采集由慣性測量裝置完成。移動機(jī)器臂子系統(tǒng)由移動平臺、支撐板、兩個機(jī)器臂和夾持器組成。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于手臂表面肌電信號的移動機(jī)器臂系統(tǒng)，其特征在于它由可穿戴表面肌電采集環(huán)、慣性測量裝置、電腦和移動機(jī)器臂子系統(tǒng)組成, 可穿戴表面肌電采集環(huán)、慣性測量裝置和移動機(jī)械臂子系統(tǒng)分別通過無線方式連接電腦。可穿戴表面肌電采集環(huán)由N片生物肌電傳感器分別嵌入到N個長方體塊中，N個長方體塊一次鏈接，構(gòu)成一個圓環(huán)，可穿戴到手臂上用于檢測操作者的表面肌電信號。移動機(jī)器臂子系統(tǒng)在移動平臺的左右兩側(cè)分別安裝一個類人體手臂的五自由度機(jī)器臂，在機(jī)器臂的末端分別安裝一個夾持器，在移動平臺的后方安裝一個支撐板，機(jī)器臂使用或者取回的物品可放在支撐板上,其中N代表部件數(shù)量可以為一個或多個。

本發(fā)明的一種技術(shù)方案為提供一種基于手臂表面肌電信號移動機(jī)器臂系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：通過利用操作者佩戴的可穿戴表面肌電采集環(huán)獲取手臂表面的肌電信號來估算手臂肌肉活性，建立肌肉活性與操作者手臂剛度的關(guān)系，操作者通過調(diào)節(jié)手臂的剛度，通過無線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器臂子系統(tǒng)中機(jī)器臂的運(yùn)動速度。利用N個生物肌電傳感器，對N組數(shù)據(jù)取平均幅值，然后采用平均濾波法來計(jì)算，從而保證機(jī)器人運(yùn)動速度控制的平穩(wěn)性。利用操作者手勢決定是否需要機(jī)器臂和夾持器工作，當(dāng)不需要機(jī)器臂工作時，操作者手臂可以隨意放置，防止手臂工作太久肌肉疲勞和增加機(jī)器臂利用效率，需要夾取物品時，操作者通過手勢即可控制。操作者左右手臂各帶兩個慣性測量裝置，分別手臂的上臂和下臂，可計(jì)算出操作者每只手臂肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的5個關(guān)節(jié)角度，將關(guān)節(jié)角度通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到移動機(jī)器臂子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對兩個機(jī)器臂運(yùn)動的控制。

近端控制子系統(tǒng)通過采集操作者手臂姿態(tài)和手臂表面肌電信號，遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器臂子系統(tǒng)的運(yùn)動，如圖1所示。

具體控制方法：

操作者將兩個可穿戴表面肌電采集環(huán)戴在左右下臂，通過生物肌電傳感器可檢測到操作者手臂表面的肌電信號。對采集到的肌電信號可進(jìn)行兩方面的處理：第一，通過學(xué)習(xí)算法識別出操作者的手勢；第二，建立肌電信號和手臂剛度模型，通過估算手臂剛度對移動平臺進(jìn)行速度控制。解析到操作者的手勢，第一用于控制遠(yuǎn)端移動機(jī)器臂子系統(tǒng)運(yùn)動方向；第二，用一手勢當(dāng)作機(jī)器臂工作的的開關(guān)；第三，用以手勢控制機(jī)器臂末端夾持器的工作。速度控制增益用于遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器臂子系統(tǒng)的運(yùn)動速度。同時，將四個可穿戴慣性測量裝置分別帶在操作者左右手臂的上臂和下臂，用于計(jì)算操作者的手臂姿態(tài)數(shù)據(jù)。計(jì)算得到操作者的手臂關(guān)節(jié)角通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端移動機(jī)器臂子系統(tǒng)，用于控制機(jī)器臂的運(yùn)動。

本發(fā)明公開了一種可遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器臂的系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一個沒有機(jī)器人控制經(jīng)驗(yàn)的操作者遠(yuǎn)程控制一個可移動的機(jī)器臂。本發(fā)明充分利用人體的上肢進(jìn)行可操作控制。第一，利用手臂表面的肌電信號識別出操作者的手勢對遠(yuǎn)端機(jī)器臂子系統(tǒng)的運(yùn)動方向、機(jī)器臂的工作開關(guān)、機(jī)器臂末端的夾持器 進(jìn)行控制。第二，通過檢測操作者手臂的肌肉活性對遠(yuǎn)端機(jī)器臂子系統(tǒng)的運(yùn)動速度進(jìn)行遙操作控制。第三，通過對操作者上臂和前臂的姿態(tài)計(jì)算，遠(yuǎn)程控制機(jī)器臂的運(yùn)動。

附圖說明

圖1為本發(fā)明控制方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的可穿戴表面肌電采集環(huán)；

圖3為本發(fā)明的慣性測量裝置；

圖4為本發(fā)明移動機(jī)器臂子系統(tǒng)的整體示意圖；

圖5為本發(fā)明移動機(jī)器臂子系統(tǒng)的整體正視圖；

圖6為本發(fā)明移動機(jī)器臂子系統(tǒng)的整體正視圖；

圖7為本發(fā)明移動機(jī)器臂子系統(tǒng)的整體俯視圖。

其中1為移動平臺；2為支撐板；3為機(jī)器臂；4為夾持器。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施方式是：操作者每個手臂各帶兩個慣性測量裝置，分別位于手臂的上臂和下臂。利用慣性測量裝置測量到的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算操作者肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的五個關(guān)節(jié)角度，從而確定操作者的手臂姿態(tài)。

將兩個可穿戴表面肌電采集環(huán)分別戴在操作者的左右下臂。其中一個手臂采集到的肌電信號用于解析操作者的手勢，另一個表面肌電采集環(huán)采集到的肌電信號用于估算操作者手臂的肌肉活性。同時對肌電信號進(jìn)行兩方面的處理：第一，通過學(xué)習(xí)算法，由肌電信號解析出操作者的手勢；第二，對肌電信號求均值、濾波、采樣，通過肌電信號估算出操作者手臂的肌肉活性，進(jìn)而計(jì)算速度控制增益，計(jì)算方法如下：

可穿戴表面肌電信號采集環(huán)的N個生物肌電傳感器檢測得到信號為u_i(k), i = 1,2...N, k表示采樣時刻。

1.計(jì)算肌電信號平均幅值

2. 對幅值采用平均濾波法

這里M是一個正整數(shù)，可以取M = 20

3.建立肌電信號與肌肉活性之間的映射

，A 是非線性映射因子。

4.計(jì)算速度控制增益

Gain(k)表示速度控制增益，Gain^max 和 Gain^min 分別表示最大與最小速度控制增益，可在操作前計(jì)算得到。 α^max和α^max分別表示肌肉活性最大與最小值，可 在操作前測量得到。

電腦將操作者的5個關(guān)節(jié)角度、由肌電信號解析出的手勢和計(jì)算得到的速度控制增益通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端移動機(jī)器臂子系統(tǒng)。接收到的不同手勢信號用于三個方面：第一用于遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器臂子系統(tǒng)的運(yùn)動方向；一個作為機(jī)器臂3工作的控制開關(guān)；第三，控制機(jī)器臂3末端夾持器4的工作。速度控制增益信號來遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器臂子系統(tǒng)的運(yùn)動速度。通過改變操作者手臂的5個關(guān)節(jié)角度來遙操作機(jī)器臂3。

本實(shí)例中設(shè)定6種手勢作為遠(yuǎn)端機(jī)器臂子系統(tǒng)的運(yùn)動信號。6個手勢（右手）可以分別為食指與拇指接觸并且其余手指伸直（OK手勢）、握拳、手掌向內(nèi)、手掌向外、中指與拇指雙擊和展開手掌。

其中，前4個手勢依次代表移動機(jī)器人停止、前進(jìn)、向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)；中指與拇指雙擊用于選擇控制機(jī)器臂3的工作狀態(tài)，雙擊一次使機(jī)器臂3進(jìn)入工作狀態(tài)，再次雙擊，可使機(jī)器臂3處于休息狀態(tài)；展開手掌用于控制機(jī)器臂夾持器4的工作。

將兩個可穿戴的表面肌電信號采集環(huán)分別戴在操作者的兩個下臂，同時，在操作者右手的上臂和下臂分別戴上慣性測量裝置。將表面肌電采集環(huán)采集到的肌電信號和慣性測量裝置采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦。其中，右手的肌電信號用于解析操作者的手勢，左手的肌電信號用于計(jì)算速度控制增益。用慣性測量裝置采集的數(shù)據(jù)計(jì)算操作者右手臂的5個關(guān)節(jié)角，確定右手臂的姿態(tài)。然后將手勢信息、速度控制增益和5個關(guān)節(jié)角度通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端移動機(jī)器臂子系統(tǒng)。

當(dāng)檢測到操作者握拳上，移動機(jī)器臂前進(jìn)；當(dāng)檢測到操作者處于OK手勢時，移動機(jī)器臂停止；當(dāng)檢測到操作者右手手掌向內(nèi)時，移動機(jī)器臂向左轉(zhuǎn)；當(dāng)檢測到操作者右手手掌向外時，移動機(jī)器臂向右轉(zhuǎn)；當(dāng)操作者增加手臂的剛度，移動機(jī)器臂的運(yùn)動速度加快；當(dāng)操作者減弱手臂的剛度，移動機(jī)器臂的運(yùn)動速度減慢。當(dāng)需要機(jī)器臂3工作時，操作者中指與大拇指雙擊，操作者可以遙操作機(jī)器臂3。當(dāng)操作者再次指與大拇指雙擊時，機(jī)器臂3停止工作。當(dāng)操作者需要用機(jī)器臂3的夾持器4取物件時，操作者展開手掌時，可控制控制機(jī)器臂夾持器4的工作。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。