一種新型機械手臂遙操作系統(tǒng)及遙操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種機械手臂遙操作系統(tǒng)及遙操作方法，可W通過人手運動實時操 作機械手臂，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來人機交互技術(shù)迅猛發(fā)展，它主要是通過相關(guān)設(shè)備識別人的各種行為動作、 身體姿勢等與計算機虛擬環(huán)境進行互動，實現(xiàn)游戲、操作訓(xùn)練、健身等功能。捕獲人體運動 是其中關(guān)鍵。目前，人體運動捕獲技術(shù)大部分是基于圖像識別技術(shù)，需要攝像頭等外接設(shè) 備，易受到光照、環(huán)境等條件的影響。
[0003] 申請人在先申請的專利號為201510271805.4的專利，該專利公開了一種用于捕獲 人體上肢運動信息的穿戴系統(tǒng)，包括傳感器、中央處理器、電源、無線模塊和顯示器，并具體 給出了各個模塊功能及在人體大臂、小臂及手上的設(shè)置方式，該系統(tǒng)可W完整捕捉上肢運 動信息，能夠應(yīng)用于人機交互、遙操作等領(lǐng)域，但是存在各個模塊設(shè)置不合理、穿戴不方便 的缺陷，此外該專利解算過程沒有充分考慮人上肢模型的特征，解算過程闡述不充分。
[0004] 機械手臂是機械臂和機械手的組合，已被廣泛使用，如工廠的加工裝配、危險環(huán)境 的作業(yè)、太空艙的維護維修等方面。遙操作是機械手臂中最常用的控制手段。目前大多都采 用鍵盤或手柄的方式進行遙操作，控制過程單一，很難完成復(fù)雜動作的遙操作，而且人機交 互過程不自然。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種新型機械手臂遙操作系 統(tǒng)，通過人手對機械手臂進行遙操作，使得機械手臂能像人手一樣完成復(fù)雜的操作，機械手 臂通過人手臂的遙操作，能實時復(fù)現(xiàn)人手臂的靈巧運動，機械手臂無需進行離線的運動軌 跡規(guī)劃，更快捷地實現(xiàn)相關(guān)任務(wù)。
[0006] 本發(fā)明的另外一個目的在于提供一種新型機械手臂遙操作方法。
[0007] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予W實現(xiàn)的：
[000引一種新型機械手臂遙操作系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)處理顯示單元、機械手臂控制 單元、機械臂和機械手，其中：
[0009] 數(shù)據(jù)手套：包括若干個傳感器和微處理器，所述若干個傳感器分別設(shè)置在人體的 大臂、小臂、手背和每個手指的各個關(guān)節(jié)之間，用于采集人體上肢不同部位的運動信息;微 處理器設(shè)置在人體手腕上，用于從傳感器接收運動信息，并將所述運動信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處 理顯示單元;所述運動信息包括人體大臂、小臂、手背和每個手指的各個關(guān)節(jié)之間手指部分 的角速度、加速度和磁場值；
[0010] 其中若干個傳感器的具體設(shè)置方法為:人體的大臂、小臂上各設(shè)置一個傳感器，中 指的根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間、中關(guān)節(jié)與末端關(guān)節(jié)之間W及末端關(guān)節(jié)與指尖之間各設(shè)置一個傳 感器，并與手背上設(shè)置的一個傳感器，共四個傳感器形成串聯(lián)連接，其余手指中每個手指的 根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間、中關(guān)節(jié)與末端關(guān)節(jié)之間w及末端關(guān)節(jié)與指尖之間各設(shè)置一個傳感 器，每個手指上的Ξ個傳感器形成串聯(lián)連接；
[0011] 數(shù)據(jù)處理顯示單元;實時接收微處理器發(fā)送的運動信息進行解算，得到人體大臂、 小臂、手背W及每個手指的姿態(tài)，并將其中大臂、小臂和手背的姿態(tài)轉(zhuǎn)化為機械臂的控制指 令，將其中每個手指的姿態(tài)轉(zhuǎn)化為機械手的控制指令，并將所述機械臂的控制指令和機械 手的控制指令實時發(fā)送給機械手臂控制單元；
[0012] 機械手臂控制單元:實時接收數(shù)據(jù)處理顯示單元發(fā)送的所述機械臂的控制指令和 機械手的控制指令，分別對機械臂和機械手進行遙操作，使得機械臂的姿態(tài)與當前時刻人 體大臂、小臂W及手背的姿態(tài)一致，使得機械手的姿態(tài)與當前時刻人體手指的姿態(tài)一致。
[0013] 在上述新型機械手臂遙操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理顯示單元實時接收微處理器發(fā)送的 運動信息進行解算，得到人體大臂、小臂、手背W及每個手指的姿態(tài)的具體方法如下：
[0014] (2.1)、計算當前時刻人體大臂的姿態(tài)Τι,k，具體公式如下：
[001 引 Ti,k =、ΧΑι,??+(1-λι) XBi'k
[0016] 其中:Ai,k為當前時刻大臂的高頻姿態(tài)，Bi,k為當前時刻大臂的低頻姿態(tài)，λι為互補 系數(shù)，取值為0^、^ l;k為時刻序列，取值為^ 1的正整數(shù)；
[0017] (2.2)、計算當前時刻人體小臂的姿態(tài)，人體小臂的姿態(tài)通過小臂與大臂之間的相 對夾角T2,k來表示，具體公式如下：
[001 引
[0019]其中：a2x,k為沿人體小臂軸方向的加速度，aix,k為沿人體大臂軸方向的加速度，g為 重力加速度；
[0020] (2.3)、計算當前時刻人體手的姿態(tài)T3,k，具體公式如下：
[0021] T3'k = A3XA3'k+(l-A3)XB3'k
[0022] 其中：A3,k當期時刻手的高頻姿態(tài)，B3,k當前時刻手的低頻姿態(tài)，λ3為互補系數(shù)，取 值為0 <入3。；
[0023] (2.4)、計算當前時刻人體手指根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間手指部分的姿態(tài)T4,k，具體公 式如下：
[0024] 了4, k 二入4 X A4,k+( 1-入4) X B4,k
[0025] 其中：A4,k為當期時刻手指根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間手指部分的高頻姿態(tài)，B4,k為當前 時刻手指根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間手指部分的低頻姿態(tài)，λ4為互補系數(shù)，取值為0含λ4 < 1 ;
[0026] (2.5)、計算當前時刻人體手指中關(guān)節(jié)(6)與末端關(guān)節(jié)(7)之間手指部分的姿態(tài)，通 過與手指根關(guān)節(jié)(5)和中關(guān)節(jié)(6)之間手指部分的夾角Τ5,諫表示，具體公式如下：
[0027]
[0028] 其中：a日x,k為沿手指中關(guān)節(jié)與末端關(guān)節(jié)之間手指部分方向的加速度，a4x,k為沿手指 根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間手指部分方向的加速度；
[0029] (2.6)、計算當前時刻人體手指末端關(guān)節(jié)(7)與指尖之間手指部分的姿態(tài)，通過與 手指中關(guān)節(jié)(6)與末端關(guān)節(jié)(7)之間手指部分的夾角T6,諫表示，具體公式如下：
[0030]
[0031] 其中:asx,k為沿手指末端關(guān)節(jié)與指尖之間手指部分方向的加速度。
[0032] 在上述新型機械手臂遙操作系統(tǒng)中，步驟(2.1)中當前時刻大臂的高頻姿態(tài)Ai,k通 過如下公式得到：
[003；3] Ai,k = Ti,k-i+gi,kX A t
[0034] 其中：Τι,k-i為上一時刻大臂的姿態(tài)，gi,k為當前時刻大臂的角速度，At為解算周 期；
[0035] 所述當前時刻大臂的低頻姿態(tài)Bi,k通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，具體通過如下 公式得到：
[0036] C(Bi,k) = [G Μ GXM]/[ai,k mi,k ai,kXmi,k]
[0037] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，ai,k為當前時刻大臂的加速度，mi,k為當前時刻 大臂的磁場值，C(Bi,k)為Bi,k的姿態(tài)矩陣。
[0038] 在上述新型機械手臂遙操作系統(tǒng)中，步驟(2.3)中當前時刻手的高頻姿態(tài)A3,k通過 如下公式得到：
[0039] A3,k = T3,k-i+(g3,ii_g2,k) X A t
[0040] 其中：T3,k-1為上一時刻手的姿態(tài)，g3,k為當前時刻手的角速度，g2,k為當前時刻小臂 的角速度，At為解算周期；
[0041] 所述當前時刻手的低頻姿態(tài)B3,k通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，具體通過如下公 式得到：
[0042] C(B3,k) = [G Μ GXM]/[a3,k_a2,k m3,k-m2,k (a3,k_a2,k) X (m3,k-m2,k)]
[0043] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，a3,k為當前時刻手的加速度，a2,k為當前時刻小 臂的加速度，m3,功當前時刻手的磁場值，m2,功當前時刻小臂的磁場值，C(B3,k)為B3,k的姿 態(tài)矩陣。
[0044] 在上述新型機械手臂遙操作系統(tǒng)中，步驟(2.4)中當前時刻手指根關(guān)節(jié)(5)與中關(guān) 節(jié)(6)之間手指部分的高頻姿態(tài)A4,k通過如下公式得到：
[0045] A4,k = T4,k-i+(g4,k-g3,k) X At
[0046] 其中：T4,k-1為上一時刻人體手指根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間手指部分的姿態(tài)，g4,k為當前 時刻手指根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間手指部分的角速度，g3,k當前時刻手的角速度，At為解算周 期；
[0047] 當前時刻手指根關(guān)節(jié)(5)與中關(guān)節(jié)(6)之間手指部分的低頻姿態(tài)B4,k通過確定性姿 態(tài)濾波算法得到，具體通過如下公式得到：
[004引 C(B4,k) = [G Μ GXM]/[a4,k_a3,k m4,k-m3,k (a4,k_a3,k) X (m4,k-m3,k)]
[0049] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，a4,k當前時刻手指根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間手指部 分的加速度，33,k為當前時刻手的加速度，m4,k為當前時刻手指根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間手指部 分的磁場值，m3,k為當前時刻手的磁場值，C(B4,k)為B4,k的姿態(tài)矩陣。
[0050] 在上述新型機械手臂遙操作系統(tǒng)中，λι、λ3和入4的取值為:0.2 < λι < 0.5，0.2 <入3 < 0.5,0.2<λ4<0.5;所述解算周期Δt的取值為0.001-0.1s。
[0051] 在上述新型機械手臂遙操作系統(tǒng)中，人體手背和每個手指上的傳感器設(shè)置在手套 上，手套穿戴在人體的手上。
[0052] 在上述新型機械手臂遙操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)手套中各個傳感器之間W及傳感器與微 處理器之間采用軟排線連接，微處理器和數(shù)據(jù)處理顯示單元之間通過無線或有線連接;所 述數(shù)據(jù)手套還包括供電單元，供電單元設(shè)置在微處理器的下部，用于為微處理器及傳感器 供電。
[0053] -種新型機械手臂遙操作方法，通過機械手臂遙操作系統(tǒng)實現(xiàn)，所述機械手臂遙 操作系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)處理顯示單元、機械手臂控制單元、機械臂和機械手，其中數(shù) 據(jù)手套包括若干個傳感器和微處理器，微處理器設(shè)置在人體手腕上，若干個傳感器分別設(shè) 置在人體的大臂、小臂、手背和每個手指的各個關(guān)節(jié)之間，具體設(shè)置方法為:人體的大臂、小 臂上各設(shè)置一個傳感器，中指的根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間、中關(guān)節(jié)與末端關(guān)節(jié)之間W及末端關(guān) 節(jié)與指尖之間各設(shè)置一個傳感器，并與手背上設(shè)置的一個傳感器，共四個傳感器形成串聯(lián) 連接，其余手指中每個手指的根關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)之間、中關(guān)節(jié)與末端關(guān)節(jié)之間W及末端關(guān)節(jié) 與指尖之間各設(shè)置一個傳感器，每個手指上的Ξ個傳感器形成串聯(lián)連接；
[0054] 具體實現(xiàn)方法如下：
[0055] 步驟(一）、將數(shù)據(jù)處理顯示單元、機械手臂控制單元、機械臂和機械手進行連接；
[0056] 步驟(二）、機械手臂遙操作系統(tǒng)的初始化操作，具體包括如下步驟：
[0057] (1)、數(shù)據(jù)處理顯示單元將內(nèi)部存儲的初始時刻人體大臂、小臂和手背的