具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统及方法，属于智能机 器人范畴。
【背景技术】
[0002] 机器人发展至今已经相当可观地影响着现代人类生活的诸多方面，人们对机器人 的智能要求不断提高以便其更好地为人类服务，机器人学习是提高机器人智能化程度的一 种行之有效的方法。自然界中，模仿是人或动物掌握运动技能最直接有效的学习方式。而 人与动物是机器人的仿生原型，因此将模仿的机制应用于机器人是可行的。人或动物的诸 多技能或行为是在其神经系统认知过程中渐进地形成和发展起来的，通过模仿人或动物， 使机器人的认知和行为更加接近人或动物，从而产生自主的行为，这个过程从学习方法上 称为模仿学习。
[0003] 模仿学习使机器人通过观察示教者的动作就可以快速学习到有用的动作。这种在 与环境的交流中学习新知识和解决问题的方法，使得模仿学习与传统的孤立的机器人学习 方法相比，模仿学习有很多优势：（1)学习效率高，直接获得有效信息，规避了庞大学习空 间搜索问题；（2)提升智能，使机器人在日常环境下不断提升行为能力；（3)实用性强，学习 后的行为可直接作用于工作环境；(4)增强了人机交互能力，使人机关系更加友好；(5)减 少了编程的复杂程度。因此，模仿学习无论在军事领域还是民事领域都具有广泛的应用前 景。模仿学习不仅是行为科学和神经科学的研宄重点，对于人工智能和机器学习而言也具 有非常重要的研宄意义。
[0004] 目前，能够对示教动作进行再现的机器人以工业机器人为主，此类机器人只能基 于示教经验通过对其编程，完成部分预设动作，智能程度较低，不具备模仿学习的能力。沈 阳工业大学的杨俊友等人将模仿学习机制运用到机械臂上，通过采集视觉信息控制图模型 完成示教动作的模仿，在模仿学习运用到实际机器人上取得一些突破。但这种机器人所用 设备成本高，采集的视觉信息要通过进一步的数据处理，模仿不具备实时性，完成模仿任务 耗时较长。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有模仿学习机制的手把手示 教机械臂系统及方法，通过改进的手把手示教方式直接拖拽操作机械臂，由一种动作检测 装置感知示教行为动作信息后完成对示教动作的模仿学习，使机械臂系统不仅可以模仿再 现示教动作，还能够通过学习获知示教行为的目的，具有较高智能程度。同时减小了传统手 把手示教方式的劳动强度，降低了传感器成本，克服了采用摄像技术采集示教行为带来的 图像处理繁琐的问题，提高了机械臂系统的学习效率。
[0006] 本发明提出的机械臂系统，是一种具有模仿学习机制的机械臂系统，主要包括执 行模块、感知模块和学习模块。系统执行模块包括六自由度机械臂及手爪；感知模块包括动 作检测装置和目标物体检测装置；学习模块作为控制系统的大脑，完成传感器数据处理、舵 机控制器的控制以及实现模仿学习算法等功能。本发明以机械臂手爪夹取桌面上物体的动 作为例，使机械臂模仿学习该行为，以验证系统及方法的可行性。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008] 具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统，该系统中，DSP控制器（2)、7. 4v锂 电池（5)、电压转化器（6)、长U型连杆一（7)固定安装在机械臂系统底盘（1)上；51单片 机最小系统（3)、舵机控制器（4)分别与DSP控制器（2)连接；所述电压转化器（6)与7. 4v 锂电池（5)连接，7. 4v锂电池（5)与DSP控制器⑵连接；长U型连杆一（7)的侧面安装 有长U型连杆二（8);长U型连杆二（8)的一端安装有超声波传感器（18);
[0009] 两个长U型连杆的底部连接组成H型连杆（9) ;H型连杆（9) 一端与长U型连杆二 (8)的侧面连接；长U型连杆三（10) -端与H型连杆（9)另一端连接；机械臂手爪（11)与 长U型连杆三（10)的另一端连接；
[0010]MG996R舵机一（12)安装在长U型连杆二（8)与长U型连杆一（7)的连接处；
[0011] MG996R舵机二（13)安装在H型连杆（9)与长U型连杆二（8)的侧面连接处；
[0012]MG996R舵机三（14)安装在H型连杆（9)与长U型连杆三（10)的一端连接处；
[0013]MG996R舵机四（15)安装在长U型连杆三（10)的另一端部处；
[0014]MG996R舵机五（16)安装在机械臂手爪（11)的端部；
[0015]MG996R舵机六（17)安装在机械臂手爪（11)的侧面；
[0016] 三轴陀螺仪传感器一（19)与加速度计模块一（22)组成检测模块一，检测模块一 设置在H型连杆（9)中间位置处；
[0017] 三轴陀螺仪传感器二（20)与加速度计模块二（23)组成检测模块二，检测模块二 设置在长U型连杆三（10)中间位置处；
[0018] 三轴陀螺仪传感器三（21)与加速度计模块三（24)组成检测模块三，检测模块三 设置在机械臂手爪（11)的一端；
[0019] 检测模块一、检测模块二、检测模块三组成
[0020] 红外测距传感器（25)设置在MG996R舵机六（17)的中间位置；
[0021] 触觉传感器一（26)、触觉传感器二（27)分别设置在机械臂手爪（11)的上下手爪 处。
[0022] 本发明所述的机械臂系统工作时，首先采用手把手示教方法对机械手臂进行示 教，由感知模块采集示教信息后经控制系统进行模仿学习，控制机械臂模仿示教行为动作。
[0023] (1)手把手示教及示教数据处理
[0024] 当机械臂系统启动后，系统的舵机控制器不上电，即机械手臂上舵机处于断电状 态，采用离线示教的方式，仅感知模块进行工作。用手拖动机械臂完成夹取桌面上物体的动 作，三个三轴陀螺仪传感器和加速度计模块组成的动作检测装置采集在示教过程中三个手 臂连杆的位姿坐标旋转角速度和角加速度信息，红外测距传感器采集手爪到目标物体的距 离信息。动作检测装置将采集到的示教行为信号和距离信号通过10 口传送给DSP控制器， DSP控制器将采集到的信号进行处理后，获得示教行为的状态信息。
[0025] (2)机械臂系统确定初始状态
[0026]为51单片机最小系统和舵机控制器上电，即机械手臂上舵机处于通电状态。系 统首先通过单片机使机械臂还原到手把手示教前所处的姿态，然后系统通过搭载的传感器 搜寻确定目标物体的方位，底座舵机搭载着的超声波传感器进行旋转确定目标物体所在方 向，手爪方向的舵机进行旋转使其搭载的红外测距传感器与目标物体保持正对方向，机械 臂保持此姿态。
[0027] (3)机械臂系统模仿学习示教行为
[0028] 机械臂系统进入模仿学习阶段，构建前馈神经网络，将示教行为的状态信息作为 网络的输入，机械臂运动的动作策略作为网络的输出。DSP控制器将获得的动作策略传送给 51单片机最小系统，由单片机控制舵机控制器将关节角转化为脉宽信号以控制机械臂上的 关节转动相应角度，使手爪向目标物体方向运动。机械臂运动过后由红外测距传感器采集 手爪与目标物体的距离信息并传送给DSP控制器，若手爪与目标物体距离大于0cm或检测 不到目标物体，则继续进行模仿学习，重新调整动作策略，产生舵机控制信号，循环运行，直 至满足设定的模仿结束条件（红外测距传感器检测到手爪与目标物体距离为〇cm)，手爪闭 合，由机械臂手爪处的触觉传感器检测是否夹取到目标物体，从而完成示教行为动作。
[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0030] (1)本发明采用模块独立供电方式，为感知模块和执行模块分别独立供电，在此基 础上使用一种改进的手把手离线示教的方法，这种方法能够克服手把手示教过程中关节的 反力作用和劳动强度大的缺点，从而良好地完成示教任务，提高示教效率。
[0031 ] (2)本发明将一种由陀螺仪传感器和加速度计模块组成的动作检测装置搭载在机 械臂上，作为系统的感知模块采集机械臂运动过程中的行为状态信息，然后对这些信息应 用学习算法，指导机械臂系统模仿学习。使用这种采集机械臂运动行为信息的装置以及方 法，能够降低传感器的成本，同时克服了摄像头技术后期复杂的图像处理过程，提高了机械 臂系统模仿学习的效率。
[0032] (3)本发明控制系统采取分级分层控制的方法，相对独立地开展控制活动，通过 DSP控制器进行对感知模块采集的数据的处理以及模仿学习算法的训练，通过51单片机最 小系统运行动作策略，控制机械臂的运动，该方法提升了控制系统的针对性和信息传递效 率。
[0033] (4)本发明将模仿学习机制应用于机械臂系统中，具有模仿学习机制的机械臂系 统不仅可以再现示教动作，还能够通过学习获知示教行为的目的，在改变机械臂初始姿态 或目标物体所在方位时依旧能够完成模仿任务，具有较高的智能程度。
【附图说明】
[0034]图1. 1为本发明所涉及系统的机械结构图；
[0035] 图1. 2为本发明所涉及系统的整体结构图；
[0036] 图2为本发明所涉及系统的系统组成框图；
[0037] 图3为本发明所涉及系统运行过程流程图；
[0038] 图4为手把手示教及示教数据处理的方法流程图；
[0039]图5为机械臂系统确定初始状态的方法流程图；
[0040]图6为系机械臂统模仿学习示教行为的方法流程图；
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