利要求2-5之一所述的一种新型机械手臂遥操作系统，其特征在于:所述λι、λ3 和入4的取值为：0.2<λι<0.5,0.2<λ3<0.5,0.2<λ4<0.5 ;所述解算周期Δ t的取值为 0.001-0.Is。7. 根据权利要求1-5之一所述的一种新型机械手臂遥操作系统，其特征在于:所述人体 手背和每个手指上的传感器(1)设置在手套上，手套穿戴在人体的手上。8. 根据权利要求1-5之一所述的一种新型机械手臂遥操作系统，其特征在于:所述数据 手套（11)中各个传感器(1)之间W及传感器(1)与微处理器(2)之间采用软排线(3)连接，微 处理器(2)和数据处理显示单元(4)之间通过无线或有线连接;所述数据手套（11)还包括供 电单元，供电单元设置在微处理器(2)的下部，用于为微处理器(2)及传感器(1)供电。9. 一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于: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（11 )、数据处理显示单元(4)、机械手臂控制单元(8)、机械 臂（9)和机械手（10)，其中数据手套（11)包括若干个传感器（1)和微处理器（2)，微处理器 (2)设置在人体手腕上，若干个传感器(1)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(1 )，中指的根关节 (5) 与中关节(6)之间、中关节(6)与末端关节(7)之间W及末端关节(7)与指尖之间各设置 一个传感器（1)，并与手背上设置的一个传感器（1)，共四个传感器（1)形成串联连接，其余 手指中每个手指的根关节(5)与中关节(6)之间、中关节(6)与末端关节(7)之间W及末端关 节(7)与指尖之间各设置一个传感器(1)，每个手指上的Ξ个传感器(1)形成串联连接； 具体实现方法如下： 步骤(一）、将数据处理显示单元(4)、机械手臂控制单元(8)、机械臂(9)和机械手（10) 进行连接； 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： (1) 、数据处理显示单元(4)将内部存储的初始时刻人体大臂、小臂和手背的姿态转化 为机械臂(9)的控制指令，将内部存储的初始时刻人体每个手指的姿态转化为机械手（10) 的控制指令，并将所述机械臂(9)的控制指令和机械手（10)的控制指令实时发送给机械手 臂控制单元(8); (2) 、机械手臂控制单元(8)实时接收数据处理显示单元(4)发送的所述机械臂(9)的控 审IJ指令和机械手（10)的控制指令，分别对机械臂(9)和机械手（10)进行遥操作，使得机械臂 (6) 的姿态与初始时刻人体大臂、小臂W及手背的姿态一致，使得机械手(7)的姿态与初始 时刻人体手指的姿态一致； 步骤(Ξ)、机械手臂遥操作系统的实时跟随运动，具体包括如下步骤： (1)、数据手套（11)中的传感器（1)采集当前时刻人体上肢不同部位的运动信息;微处 理器(2)将从传感器（1)接收的所述当前时刻的运动信息发送给数据处理显示单元(4);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； (2) 、数据处理显示单元(4)实时接收微处理器（2)发送的当前时刻的运动信息进行解 算，得到当前时刻人体大臂、小臂、手背W及每个手指的姿态，将其中大臂、小臂和手背的姿 态转化为机械臂(9)的控制指令，将其中每个手指的姿态转化为机械手（10)的控制指令，并 将所述机械臂(9)的控制指令和机械手(10)的控制指令实时发送给机械手臂控制单元(8); (3) 、机械手臂控制单元(8)实时接收数据处理显示单元(4)发送的所述机械臂(9)的控 审IJ指令和机械手（10)的控制指令，分别对机械臂(9)和机械手（10)进行遥操作，使得机械臂 (6)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(7)的姿态与当前 时刻人体手指的姿态一致。10.根据权利要求9所述的一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于:所述步骤(Ξ) 的（2)中，数据处理显示单元(4)对当前时刻的运动信息进行解算的具体方法如下： (10.1 )、计算当前时刻人体大臂的姿态Τι,k，具体公式如下： Τι,?? = λιXAi,k+( 1-λι) XBi,k 其中:Ai,功当前时刻大臂的高频姿态，Bi,功当前时刻大臂的低频姿态，λι为互补系数， 取值为0 ^ λι ^ 1;k为时刻序列，取值为^ 1的正整数； (10.2) 、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：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； (10.3) 、计算当前时刻人体手的姿态T3,k，具体公式如下： T3,k = ^3 X A3,k+( 1-^3) XBs.k 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ο < 入3 < 1 ; (10.4) 、计算当前时刻人体手指根关节(5)与中关节(6)之间手指部分的姿态T4,k，具体 公式如下： T4,k = ^4XA4,k+(l-^4) XB4,k 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 ; (10.5) 、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Ts,k来表示，具体公式如下：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； (10.6) 、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,k来表示，具体公式如下：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。11. 根据权利要求10所述的一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于：所述步骤 (10.1)中当前时刻大臂的高频姿态Ai,k通过如下公式得到： Ai,k = Ti,k-i+gi,kX A t 其中:Τι,k-功上一时刻大臂的姿态，gi,功当前时刻大臂的角速度，At为解算周期； 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： C(Bi,k) = [G Μ GXM]/[ai,k mi,k ai,kXmi,k] 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。12. 根据权利要求10所述的一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于：所述步骤 (10.3) 中当前时刻手的高频姿态A3,k通过如下公式得到： A3,k = T3,k-l+(g3,l<-g2,k) X A t 其中：T3,k-功上一时刻手的姿态，g3,功当前时刻手的角速度，g2,功当前时刻小臂的角 速度，At为解算周期； 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： C(B3,k) = [G Μ GXM]/[a3,k_a2,k m3,k-m2,k(a3,k-a2,k)X(m3,k-m2,k)] 其中：G为重力矢量，Μ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，邮,k为当前时刻手的磁场值，m2,k为当前时刻小臂的磁场值，C(B3,k)为B3,k的姿态矩 阵。13. 根据权利要求10所述的一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于：所述步骤 (10.4) 中当前时刻手指根关节巧)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： A4,k = T4,k-l+(g4,l<-g3,k) X A t 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为当前时刻手的角速度，At为解算周期； 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,述过确定性姿态滤 波算法得到，具体通过如下公式得到： C(B4,k) = [G Μ GXM]/[a4,k-a3,k m4,k-m3,k(a4,k-a3,k)X(m4,k-m3,k)] 其中：G为重力矢量，Μ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。14. 根据权利要求10-13之一所述的一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于:所述 入1、入3和λ4的取值为:0.2<λι<0.5,0.2<λ3<0.5,0.2<λ4<0.5;所述解算周期Δ t的取值 为0.001-0.Is。15. 根据权利要求9-13之一所述的一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于:所述人 体手背和每个手指上的传感器(1)设置在手套上，手套穿戴在人体的手上。16. 根据权利要求9-13之一所述的一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于:所述数 据手套（11)中各个传感器（1)之间W及传感器与微处理器(2)之间采用软排线（3)连接，微 处理器(2)和数据处理显示单元(4)之间通过无线或有线连接;所述数据手套（11)还包括供 电单元，供电单元设置在微处理器(2)的下部，用于为微处理器(2)及传感器(1)供电。17. 根据权利要求9-13之一所述的一种新型机械手臂遥操作方法，其特征在于:人手臂 发生急停或急速运动导致数据处理显示单元(4)转化的控制指令超过机械臂(6)和机械手 (7)的控制指令阔值时，数据处理单元(4)将所述控制指令阔值发送给机械手臂控制单元 (8 )，由机械手臂控制单元(8)对机械臂(6)和机械手(7)进行遥操作。
【专利摘要】本发明涉及一种新型机械手臂遥操作系统及遥操作方法，该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，数据处理显示单元将从数据手套接收的运动信息进行解算得到人体大臂、小臂、手背以及每个手指的姿态，并将姿态转化为控制指令通过机械手臂控制单元对机械臂和机械手进行遥操作，实现人体手臂、手控制机械臂，手指控制机械手，通过对机械臂和机械手的分别控制方式，可以充分发挥机械臂、机械手各自的运动特性，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。
【IPC分类】B25J9/16
【公开号】CN105690386
【申请号】CN201610168048
【发明人】方斌, 张韬懿, 范立明
【申请人】北京轩宇智能科技有限公司
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年3月23日