服务型移动机械手系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动机械手和信息学领域，尤其涉及助老助残的服务型移动机械手领域。
【背景技术】
[0002]助老助残机器人作为一种辅助技术及产品，已扩展到残障人士及老年人生活的各个领域，解决他们生活中的一些困难。由轮椅移动平台及安装在轮椅上的机械臂组成的服务型移动机械手(或称轮椅机械臂)是助老助残机器人的重要分支，因其具有在非结构化家庭环境下的行走能力、任意物体抓取能力以及多通道人机交互能力，能够代替人类完成服务老人、残疾人的各项任务而成为康复领域的研究热点之一。目前，美国、德国、韩国等都对服务型移动机械手投入大量经费进行研究，不断提高服务型移动机械手的体系结构、人机交互、目标导航等功能，而随着我国逐步进入小康社会，康复工程得到了社会的广泛关注，在国家《发展规划纲要(2006-2020年)》中，明确指出将服务机器人作为未来优先发展的战略高技术，在“十一五”期间，国家863计划开展了7类助老助残机器人系统研究，2015年度国家863计划也重点开展了“移动操作臂核心技术研究及应用示范”课题，因此，服务型移动机械手作为服务机器人的一种不仅成为研究重点，还具有较好的社会效益和经济效益。
[0003]自20世纪60年代美国建造的Rancho“Golden”机械臂以来，轮椅与机械臂的组合获得了广泛关注，目前，荷兰Exact Dynamics公司的MANUS手臂是安装在轮椅上较成熟的一款机械臂，已有如VICTORIA、Raptor、FRIEND、由欧盟残疾人及老年人技术计划支持的M3S和FOCUS项目等多款基于MANUS的移动机械手，此外，韩国等也对服务型移动机械手进行研究，研制了移动机械手和轮椅组合使用的KARES II等。在国内，也研发了多款服务型移动机械手，如清华大学的移动式护理机器人、上海交通大学与上海电气集团合作开发的轮椅机械臂、哈尔滨工业大学开发的安装在轮椅上的六自由度操作臂及面向助老助残模块化机械臂、东南大学研究的视觉引导助老服务机器人等。
[0004]目前，服务型移动机械手技术研究涉及体系结构、人机交互、运动规划、运动控制等关键技术，而人机交互和运动规划毫无疑问是上述研究的重点内容，这是因为移动机械手或机器人服务的对象为缺失了部分行动能力的运动障碍人士，人机交互方式选择直接影响人与机器沟通交流的效果和效率，同时，服务型移动机械手工作环境多为存在动态障碍物的非结构化环境，运动规划策略的优劣直接关系到系统运行的安全性，以及执行效率的高低。从已有的研究成果来看，人机交互方式仍多采用以“机器主导”的肢体控制方式，如鼠标、键盘、语音等，但对于脑与外周神经肌肉通路受损的病人，就无法驱动以上的移动机械手，对服务型移动机械手的研究提出了新的挑战；而运动规划也多以完成预定操作的传统二值控制方式为主，难以满足特定环境与特定人群的实际需要。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种服务型移动机械手系统，以眼电信号与头部运动信息实现目标物体的空间定位与位置估计，并在此基础上形成移动机械手的运动规划，实现移动机械手的远距离目标接近;基于脑电信号与视觉图像信息形成目标选择及人与机械臂手眼协调运动，实现近距离目标物体的精确对准，有效提高了人与移动机械手的运动协调性。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种服务型移动机械手系统，包括电动轮椅1、头部信息采集系统2、三关节机械臂3、主控计算机4、摄像机5、夹持器6、支撑板7、人机交互系统8、移动机械手决策控制系统9、人体视觉空间定位与位置估计系统10组成;所述摄像机5安装于三关节机械臂3前端上部，所述夹持器6安装于三关节机械臂3前端面;所述主控计算机4通过支撑板7安装于电动轮椅I前端上部;所述人机交互系统8由主控计算机4、头部信息采集系统2与摄像机5组成，实现选择与锁定目标物体;所述移动机械手决策控制系统9由手眼协调运动规划9a与移动机械手运动控制9b组成，实现对移动机械手各自由度驱动;所述的人体视觉空间定位与位置估计系统10由眼电信号采集与处理Sc、头势信号采集与处理Sd组成，通过测量与融合人体眼睛注视点及头部位置信息，实现目标物体在服务型移动机械手空间内的定位与位置估计。
[0007]所述的服务型移动机械手由双轮差动驱动的电动轮椅I及安装于电动轮椅I左前部的三关节机械臂3、夹持器6组成，具有5自由度，各自由度及夹持器由直流伺服电机驱动；所述的摄像机5采用双目摄像机Eye-1n-hand方式采集目标物体图像信息。
[0008]所述的头部信息采集系统2由脑电信号、眼电信号和头势信号采集传感器组成，脑电信号和眼电信号由非侵入式脑电头盔传感器采集，头势信号通过三轴陀螺仪采集头部运动。
[0009]所述的人机交互系统8由图像信号采集与处理8a、脑电信号采集与处理Sb、眼电信号采集与处理Sc、头势信号采集与处理Sd模块组成，分别处理目标物体与夹持器的图像信号、运动想象脑电EEG信号、眼电EOG信号、佩戴在人体头部的电子陀螺仪信号，形成人体对服务型移动机械手运动过程的视觉引导和意念控制。
[0010]所述的图像信号采集与处理8a将摄像机5采集的视频图像分成四个不同区域显示在主控计算机4上，使用者观察待操作目标物体在显示器中的区位信息，通过运动想象脑电信号采集与处理Sb完成对目标物体选择与锁定。
[0011]所述的人体视觉空间定位与位置估计10在电动轮椅I的两个主动轮中点处建立基坐标系O、人体颈部坐标系01、夹持器6坐标系El，根据电动轮椅I与人体、电动轮椅I与三关节机械臂3、夹持器6之间的参数关系，建立人体眼球与夹持器6坐标系的参数转换模型，与眼电图信号参数特征和头部运动信息结合，估算目标物体的视觉空间位置。
[0012]所述的手眼协调运动规划9a方法如下:I)以人体触点运动为基础，采用人体手臂触电运动具有的一些不变特性，融合机械臂势能指标、腕部不适度指标和构型变化代价指标形成移动机械手运动规划准则:minC=ApCp+AdCd+AmCm，其中，Cp，Cd和Cm分别是机械臂势能指标、腕部不适度指标和构型变化代价指标，Ap，Ad和Am分别是上述指标的权系数;2)采用智能优化算法对移动机械手运动规划准则进行优化，将移动机械手的运动从工作空间转换到关节空间；3)在关节空间中，以五次多项式规划各自由度运动轨迹，实现移动机械手从初始位置到目标位置的近似直线运动以及速度曲线满足单峰平滑的“铃形”特征。
[0013]所述的人体视觉空间定位与位置估计系统10引导服务型移动机械手实现远距离的手臂接近运动;所述的人机交互系统8引导移动机械手近距离的手臂精确对准。
[0014]所述的人机交互系统8在引导移动机械手近距离的手臂精确对准过程中，移动机械手的空间运动划分为水平(X-Y)和垂直(Z)两个方向调整运动，垂直(Z)方向的高度调整通过脑电信号采集与处理Sb和人体视觉引导，水平方向(X-Y)方向由移动机械手通过摄像机5和图像信号采集与处理8a自主调整，实现人与移动机械手人机协同控制。
[0015]有益效果:本发明将脑电信号、眼电信号、头势信号及图像信号相互融合应用于轮椅及安装在轮椅上的机械手系统，借鉴人体视觉引导的上肢手臂触点运动机理，将人体意念控制与机械臂自动控制有机结合，提高了轮椅移动平台与机械臂运动协同、人与移动机械手手眼协调的仿生触点运动的平稳性和柔顺性。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的服务型移动机械手系统结构示意图；
图2为人眼双目视觉定位示意图；
图3为移动机械手手眼协调原理图；
图中:I电动轮椅、2头部信息采集系统、3三关节机械臂、4主控计算机、5摄像机、6夹持器、7支撑板、8人机交互系统、9移动机械手决策控制系统、10人体视觉空间定位与位置估计系统。
【具体实施方式】
[0017]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0018]服务型移动机械手系统，参见图1，主要包括电动轮椅1、头部信息采集系统2、三关节机械臂3、主控计算机4、摄像机5、夹持器6、支撑板7、人机交互系统8、移动机械手决策控制系统9、人体视觉空间定位与位置估计系统10组成。
[0019](I)头部信息采集系统2，由脑电信号、眼电信号和头势信号采集传感器组成，采用Emotiv EPOC脑电采集设备，对脑电EEG和眼电EOG信号进行采集与预处理;采用电子陀螺仪，采集人体头部的运动信息。
[0020](2)人体视觉空间定位及位置估计系统10，根据眼球转动角度与对应眼电信号特征之间的映射规律，在头部运动信息基础上，建立人眼双目视觉定位模型，如图2所示;在轮椅两主动轮中点处建立基座标系0，颈部坐标系&以及手部端拾器坐标系E1等，依据轮椅与人体、轮椅与机械臂之间的参数关系，构建人