一种新型机械手臂遥操作系统及遥操作方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种机械手臂遥操作系统及遥操作方法，可W通过人手运动实时操 作机械手臂，属于机器人技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来人机交互技术迅猛发展，它主要是通过相关设备识别人的各种行为动作、 身体姿势等与计算机虚拟环境进行互动，实现游戏、操作训练、健身等功能。捕获人体运动 是其中关键。目前，人体运动捕获技术大部分是基于图像识别技术，需要摄像头等外接设 备，易受到光照、环境等条件的影响。
[0003] 申请人在先申请的专利号为201510271805.4的专利，该专利公开了一种用于捕获 人体上肢运动信息的穿戴系统，包括传感器、中央处理器、电源、无线模块和显示器，并具体 给出了各个模块功能及在人体大臂、小臂及手上的设置方式，该系统可W完整捕捉上肢运 动信息，能够应用于人机交互、遥操作等领域，但是存在各个模块设置不合理、穿戴不方便 的缺陷，此外该专利解算过程没有充分考虑人上肢模型的特征，解算过程阐述不充分。
[0004] 机械手臂是机械臂和机械手的组合，已被广泛使用，如工厂的加工装配、危险环境 的作业、太空舱的维护维修等方面。遥操作是机械手臂中最常用的控制手段。目前大多都采 用键盘或手柄的方式进行遥操作，控制过程单一，很难完成复杂动作的遥操作，而且人机交 互过程不自然。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种新型机械手臂遥操作系 统，通过人手对机械手臂进行遥操作，使得机械手臂能像人手一样完成复杂的操作，机械手 臂通过人手臂的遥操作，能实时复现人手臂的灵巧运动，机械手臂无需进行离线的运动轨 迹规划，更快捷地实现相关任务。
[0006] 本发明的另外一个目的在于提供一种新型机械手臂遥操作方法。
[0007] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予W实现的：
[000引一种新型机械手臂遥操作系统，包括数据手套、数据处理显示单元、机械手臂控制 单元、机械臂和机械手，其中：
[0009] 数据手套：包括若干个传感器和微处理器，所述若干个传感器分别设置在人体的 大臂、小臂、手背和每个手指的各个关节之间，用于采集人体上肢不同部位的运动信息;微 处理器设置在人体手腕上，用于从传感器接收运动信息，并将所述运动信息发送给数据处 理显示单元;所述运动信息包括人体大臂、小臂、手背和每个手指的各个关节之间手指部分 的角速度、加速度和磁场值；
[0010] 其中若干个传感器的具体设置方法为:人体的大臂、小臂上各设置一个传感器，中 指的根关节与中关节之间、中关节与末端关节之间W及末端关节与指尖之间各设置一个传 感器，并与手背上设置的一个传感器，共四个传感器形成串联连接，其余手指中每个手指的 根关节与中关节之间、中关节与末端关节之间w及末端关节与指尖之间各设置一个传感 器，每个手指上的Ξ个传感器形成串联连接；
[0011] 数据处理显示单元;实时接收微处理器发送的运动信息进行解算，得到人体大臂、 小臂、手背W及每个手指的姿态，并将其中大臂、小臂和手背的姿态转化为机械臂的控制指 令，将其中每个手指的姿态转化为机械手的控制指令，并将所述机械臂的控制指令和机械 手的控制指令实时发送给机械手臂控制单元；
[0012] 机械手臂控制单元:实时接收数据处理显示单元发送的所述机械臂的控制指令和 机械手的控制指令，分别对机械臂和机械手进行遥操作，使得机械臂的姿态与当前时刻人 体大臂、小臂W及手背的姿态一致，使得机械手的姿态与当前时刻人体手指的姿态一致。
[0013] 在上述新型机械手臂遥操作系统中，数据处理显示单元实时接收微处理器发送的 运动信息进行解算，得到人体大臂、小臂、手背W及每个手指的姿态的具体方法如下：
[0014] (2.1)、计算当前时刻人体大臂的姿态Τι,k，具体公式如下：
[001 引 Ti,k =、ΧΑι,??+(1-λι) XBi'k
[0016] 其中:Ai,k为当前时刻大臂的高频姿态，Bi,k为当前时刻大臂的低频姿态，λι为互补 系数，取值为0^、^ l;k为时刻序列，取值为^ 1的正整数；
[0017] (2.2)、计算当前时刻人体小臂的姿态，人体小臂的姿态通过小臂与大臂之间的相 对夹角T2,k来表示，具体公式如下：
[001 引
[0019]其中：a2x,k为沿人体小臂轴方向的加速度，aix,k为沿人体大臂轴方向的加速度，g为 重力加速度；
[0020] (2.3)、计算当前时刻人体手的姿态T3,k，具体公式如下：
[0021] T3'k = A3XA3'k+(l-A3)XB3'k
[0022] 其中：A3,k当期时刻手的高频姿态，B3,k当前时刻手的低频姿态，λ3为互补系数，取 值为0 <入3。；
[0023] (2.4)、计算当前时刻人体手指根关节与中关节之间手指部分的姿态T4,k，具体公 式如下：
[0024] 了4, k 二入4 X A4,k+( 1-入4) X B4,k
[0025] 其中：A4,k为当期时刻手指根关节与中关节之间手指部分的高频姿态，B4,k为当前 时刻手指根关节与中关节之间手指部分的低频姿态，λ4为互补系数，取值为0含λ4 < 1 ;
[0026] (2.5)、计算当前时刻人体手指中关节(6)与末端关节(7)之间手指部分的姿态，通 过与手指根关节(5)和中关节(6)之间手指部分的夹角Τ5,谏表示，具体公式如下：
[0027]
[0028] 其中：a日x,k为沿手指中关节与末端关节之间手指部分方向的加速度，a4x,k为沿手指 根关节与中关节之间手指部分方向的加速度；
[0029] (2.6)、计算当前时刻人体手指末端关节(7)与指尖之间手指部分的姿态，通过与 手指中关节(6)与末端关节(7)之间手指部分的夹角T6,谏表示，具体公式如下：
[0030]
[0031] 其中:asx,k为沿手指末端关节与指尖之间手指部分方向的加速度。
[0032] 在上述新型机械手臂遥操作系统中，步骤(2.1)中当前时刻大臂的高频姿态Ai,k通 过如下公式得到：
[003；3] Ai,k = Ti,k-i+gi,kX A t
[0034] 其中：Τι,k-i为上一时刻大臂的姿态，gi,k为当前时刻大臂的角速度，At为解算周 期；
[0035] 所述当前时刻大臂的低频姿态Bi,k通过确定性姿态滤波算法得到，具体通过如下 公式得到：
[0036] C(Bi,k) = [G Μ GXM]/[ai,k mi,k ai,kXmi,k]
[0037] 其中：G为重力矢量，M为地磁矢量，ai,k为当前时刻大臂的加速度，mi,k为当前时刻 大臂的磁场值，C(Bi,k)为Bi,k的姿态矩阵。
[0038] 在上述新型机械手臂遥操作系统中，步骤(2.3)中当前时刻手的高频姿态A3,k通过 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为上一时刻手的姿态，g3,k为当前时刻手的角速度，g2,k为当前时刻小臂 的角速度，At为解算周期；
[0041] 所述当前时刻手的低频姿态B3,k通过确定性姿态滤波算法得到，具体通过如下公 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为重力矢量，M为地磁矢量，a3,k为当前时刻手的加速度，a2,k为当前时刻小 臂的加速度，m3,功当前时刻手的磁场值，m2,功当前时刻小臂的磁场值，C(B3,k)为B3,k的姿 态矩阵。
[0044] 在上述新型机械手臂遥操作系统中，步骤(2.4)中当前时刻手指根关节(5)与中关 节(6)之间手指部分的高频姿态A4,k通过如下公式得到：
[0045] A4,k = T4,k-i+(g4,k-g3,k) X At
[0046] 其中：T4,k-1为上一时刻人体手指根关节与中关节之间手指部分的姿态，g4,k为当前 时刻手指根关节与中关节之间手指部分的角速度，g3,k当前时刻手的角速度，At为解算周 期；
[0047] 当前时刻手指根关节(5)与中关节(6)之间手指部分的低频姿态B4,k通过确定性姿 态滤波算法得到，具体通过如下公式得到：
[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为重力矢量，M为地磁矢量，a4,k当前时刻手指根关节与中关节之间手指部 分的加速度，33,k为当前时刻手的加速度，m4,k为当前时刻手指根关节与中关节之间手指部 分的磁场值，m3,k为当前时刻手的磁场值，C(B4,k)为B4,k的姿态矩阵。
[0050] 在上述新型机械手臂遥操作系统中，λι、λ3和入4的取值为:0.2 < λι < 0.5，0.2 <入3 < 0.5,0.2<λ4<0.5;所述解算周期Δt的取值为0.001-0.1s。
[0051] 在上述新型机械手臂遥操作系统中，人体手背和每个手指上的传感器设置在手套 上，手套穿戴在人体的手上。
[0052] 在上述新型机械手臂遥操作系统中，数据手套中各个传感器之间W及传感器与微 处理器之间采用软排线连接，微处理器和数据处理显示单元之间通过无线或有线连接;所 述数据手套还包括供电单元，供电单元设置在微处理器的下部，用于为微处理器及传感器 供电。
[0053] -种新型机械手臂遥操作方法，通过机械手臂遥操作系统实现，所述机械手臂遥 操作系统包括数据手套、数据处理显示单元、机械手臂控制单元、机械臂和机械手，其中数 据手套包括若干个传感器和微处理器，微处理器设置在人体手腕上，若干个传感器分别设 置在人体的大臂、小臂、手背和每个手指的各个关节之间，具体设置方法为:人体的大臂、小 臂上各设置一个传感器，中指的根关节与中关节之间、中关节与末端关节之间W及末端关 节与指尖之间各设置一个传感器，并与手背上设置的一个传感器，共四个传感器形成串联 连接，其余手指中每个手指的根关节与中关节之间、中关节与末端关节之间W及末端关节 与指尖之间各设置一个传感器，每个手指上的Ξ个传感器形成串联连接；
[0054] 具体实现方法如下：
[0055] 步骤(一）、将数据处理显示单元、机械手臂控制单元、机械臂和机械手进行连接；
[0056] 步骤(二）、机械手臂遥操作系统的初始化操作，具体包括如下步骤：
[0057] (1)、数据处理显示单元将内部存储的初始时刻人体大臂、小臂和手背的