一种遥操作随动机器人控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及机器人控制系统技术领域，公开了一种遥操作随动机器人控制系统及其控制方法，包括：主端人体姿态采集单元，主端人体姿态采集单元包括主端主控板和能够实时检测人体各关节部位的动作姿态的多个采集板，各采集板均与主端主控板电连接；以及从端机器人；其中，通过各采集板分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的四元数，并将各四元数分别传输给主端主控板，通过主端主控板利用人体姿态解算算法对各四元数进行解算，以得到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号，并将该电信号传输给从端机器人的从端主控板，从而使得从端机器人能够跟随人体做出相同的动作姿态。该控制系统具有控制直接和较好的人机交互的柔顺性的优点。
【专利说明】
一种遥操作随动机器人控制系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及机器人控制系统技术领域，特别是涉及一种遥操作随动机器人控制系统及其控制方法。【背景技术】
[0002]随着对资源开发、核废料清理、高压高危作业、外科手术以及康复护理等工作需求的不断扩大，研究遥操作控制技术，使其替代人来完成相应特种工作的需求更加迫切。其中，遥操作控制技术特别适合应用于人们难以接近或对人体有害的非结构化环境作业，以及也同样适用于医疗看护等领域中。即，操作者可处在安全便利的环境，远程操作从端机械人进行作业。
[0003]目前，使用较为广泛的遥操作控制方式主要是通过搭建主端机器人和从端机器人，利用操作者的经验，结合从端机器人的反馈信息，通过控制主端机器人的运动来实现从端机器人的相对运动。
[0004]然而，现有的遥操作控制系统由于需要配备相应的主端机器人，因而，存在使得遥操作控制系统繁杂以及不能直接地控制从端机器人做出与主端机器人相同动作的问题。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本发明的目的是提供一种遥操作随动机器人控制系统及其控制方法，以解决现有技术中存在的遥操作控制系统繁杂以及不能够直接地控制从端机器人做出与主端机器人相同动作的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供了一种遥操作随动机器人控制系统，包括:能够穿戴在人体上的主端人体姿态采集单元，所述主端人体姿态采集单元包括主端主控板和能够实时检测人体各关节部位的动作姿态的多个采集板，各所述采集板均与所述主端主控板电连接；以及从端机器人;其中，通过各所述采集板分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的四元数，并将各所述四元数分别传输给所述主端主控板， 通过所述主端主控板利用人体姿态解算算法对各所述四元数进行解算，以得到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号，并将该电信号传输给所述从端机器人的从端主控板，从而使得所述从端机器人能够跟随人体做出相同的动作姿态。
[0009]其中，所述控制系统还包括设置在所述从端机器人的躯干上的所述从端主控板， 其中，所述从端主控板与所述主端主控板无线连接。
[0010]其中，所述控制系统还包括分别设置在所述从端机器人的机械手臂的各个关节部位的关节角度执行部件，各所述关节角度执行部件均与所述从端主控板电连接。
[0011]其中，所述控制系统还包括设置在所述从端机器人的头部的双目视觉获取模块， 所述双目视觉获取模块包括能够获取当前图像的图像获取子模块和与所述图像获取子模块电连接的发射子模块，其中，所述图像获取子模块将当前所述图像以电信号的形式传递给所述发射子模块。
[0012]其中，所述主端人体姿态采集单元还包括双目视觉成像模块，所述双目视觉成像模块与所述发射子模块无线连接。
[0013]其中，所述控制系统还包括能够分别连接所述从端机器人的头部以及躯干的角度转动部件，所述角度转动部件与所述从端主控板电连接。[〇〇14]其中，在所述从端机器人的机械手臂的末端设有能促使与其相连接的执行部件进行五自由度运动的执行机构接口，所述执行机构接口与所述从端主控板电连接。
[0015]其中，各所述关节角度执行部件为舵机或伺服电机。
[0016]其中，所述控制系统还包括能够带动所述从端机器人行走的行走模块。
[0017]根据本发明的第二个方面，提出了一种遥操作随动机器人控制系统的控制方法， 包括:通过各所述采集板分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的四元数，并将该四元数传输给所述主端主控板；
[0018]通过所述主端主控板采用人体姿态解算算法对各所述四元数进行解算，以得到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号；[〇〇19]通过所述主端主控板将代表人体的各关节部位的关节角度的电信号传输给所述从端主控板；
[0020]所述从端主控板接收到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号后，控制所述从端机器人的相应部位跟随人体做出与人体相同的动作姿态。
[0021]其中，各所述采集板通过采用惯性导航技术以分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的信息，并将该信息以四元数的形式表示。[0〇22](三)有益效果[〇〇23]本发明提供的控制系统，与现有技术相比具有如下优点:
[0024]本申请的控制系统通过将主端人体姿态采集单元穿戴在使用者的身上，通过主端人体姿态采集单元中的各个采集板分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的四元数，并将各四元数分别传输给主端主控板，通过主端主控板利用人体姿态解算算法对各四元数进行解算，以得到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号，并将该电信号传输给从端机器人的从端主控板，从而使得从端机器人能够跟随人体做出相同的动作姿态。这样，相对于现有的控制系统而言，即，现有的控制系统需要为从端机器人专门设计主端机器人。然而，本申请则是直接通过将主端人体姿态采集单元穿戴在人体上，从而来控制从端机器人的动作。由此可见，本申请的控制系统能够更为直接地控制从端机器人的动作，从而大大地提高了人机交互的柔顺性。
[0025]此外，由于从端机器人通常处在危险的作业环境中，因而，为提高控制系统的便携性，需使得该控制系统中的部件越少越好。然而，本申请的控制系统由于省去了现有技术中的主端机器人，从而使得控制系统的组成更为简单化，方便对从端机器人的控制。
[0026]另外，通过增设行走模块，该行走模块可为轮式底盘，使得从端机器人可以适于在室内环境内进行灵活地移动，或该行走模块为履带式底盘，因而具有越障性能好的优点，使得从端机器人可以适于在野外环境中行走。【附图说明】
[0027]图1为本申请的实施例的遥操作随动机器人控制系统的整体结构示意图；
[0028]图2为本申请的实施例的遥操作随动机器人控制系统的从端机器人的整体结构示意图；
[0029]图3为图2中的从端机器人的机械手臂的整体结构示意图。
[0030]图4为采用本申请的遥操作随动机器人控制系统来控制从端机器人的控制方法的步骤流程示意图。[0031 ]图中，100:控制系统；1:主端人体姿态采集单元；11:主端主控板；12:采集板；13: 双目视觉成像模块;2:从端机器人;21:躯干;211:从端主控板;22:机械手臂；221:执行部件;23:头部;3:关节角度执行部件;4:双目视觉获取模块;41:图像获取子模块;42:发射子模块;5:角度转动部件;6:执行机构接口； 7:行走模块;222:肩部俯仰关节;223:肩部偏航关节;224:肩部横滚关节;225:肘部俯仰关节;226:肘部横滚关节;227:腕部偏航关节;228:手指弯曲关节。【具体实施方式】[〇〇32]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。[〇〇33]如图1所示，图1示意性地显示了该控制系统100包括主端人体姿态采集单元1和从端机器人2。
[0034]该主端人体姿态采集单元1主要利用人体姿态远程实时控制从端机器人2做出与人体姿态相同的动作，即，使得该从端机器人2能够跟随人体的动作而运动。这样，便大大地提高了人机交互的柔顺性，能够更加直接地控制从端机器人2做出与人体相同的动作姿态。
[0035]该主端人体姿态采集单元1能够穿戴在人体上，其包括主端主控板11和能够实时检测人体各关节部位的动作姿态的多个采集板12。其中，各采集板12均与主端主控板11电连接。这样，通过各个采集板12采集到的人体的各关节部位的信息能够及时地传递给主端主控板11。具体地，通过各采集板12分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的信息，并使得该信息以四元数的形式表示，并将各四元数分别传输给主端主控板11，通过主端主控板11利用人体姿态解算算法对各四元数进行解算，以得到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号，并将该电信号传输给从端机器人2的从端主控板21，从而使得从端机器人 2能够跟随人体做出相同的动作姿态。这样，相对于现有的控制系统而言，S卩，现有的控制系统需要为从端机器人专门设计主端机器人。然而，本申请则是直接通过将主端人体姿态采集单元1穿戴在人体上，从而来控制从端机器人2的动作。由此可见，本申请的控制系统100 能够更为直接地控制从端机器人2的动作，从而大大地提高了人机交互的柔顺性。
[0036]另外，由于从端机器人2通常处在危险的作业环境中，因而，为提高控制系统的便携性，需使得该控制系统中的部件越少越好。然而，本申请的控制系统1〇〇由于省去了现有技术中的主端机器人，从而使得控制系统100的组成更为简单化，方便对从端机器人2的控制。
[0037]在本申请的实施例中，四元数以及人体姿态解算算法是本领域的技术人员所公知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。
[0038]在一个具体的实施例中，采集板12可分布在人体的头部、背部、左大臂、左小臂、左手、右大臂、右小臂、以及右手等部位，从而方便采集相应关节部位的动作姿态。[〇〇39] 如图1、图2和图3所示，在一个实施例中，图2示意性地显示了该控制系统100还包括设置在从端机器人2的躯干21上的从端主控板211，其中，该从端主控板211与主端主控板 11无线连接。即，该从端主控板211与主端主控板11可通过无线电信号实现信息的传输。这样，通过主端主控板11将其接收到的代表人体各关节部位的电信号无线传输给从端主控板 211后，从而控制从端机器人2做出与人体相同的动作姿态。容易理解，为了能够更为直接地控制从端机器人2的运动，需使得各采集板12获取的代表人体各关节部位的角度均与从端机器人2的各关节部位的角度相对应，从而保证人体做出的动作姿态与从端机器人2做出的动作姿态的一致性。
[0040]如图3所示，在一个实施例中，图3还示意性地显示了该控制系统100还包括分别设置在从端机器人2的机械手臂22的各个关节部位的关节角度执行部件3,各关节角度执行部件3均与从端主控板211电连接。这样，该从端主控板211便可直接地控制各个关节角度执行部件3做出符合要求的动作，进一步地，使得机械手臂22的动作更加的灵活。
[0041]如图3所示，在一个具体的实施例中，关节角度执行部件3可从上至下依次分布在机械手臂22的肩部俯仰关节222、肩部偏航关节223、肩部横滚关节224、肘部俯仰关节225、 肘部横滚关节226、腕部偏航关节227以及手指弯曲关节228。从而依次分别实现机械手臂22 相对于躯干21的前后摆动，机械手臂22相对躯干21的两侧向外扩展、机械手臂22中的小臂相对于大臂的左右转动、小臂靠近或远离大臂的运动、小臂绕自身的中心轴线进行转动、手腕相对小臂进行左右摆动以及实现各个手指的弯曲。[〇〇42] 如图2所示，在一个实施例中，图3还示意性地显示了该控制系统100还包括设置在从端机器人2的头部23的双目视觉获取模块4,该双目视觉获取模块4包括能够获取当前图像的图像获取子模块41和与图像获取子模块41电连接的发射子模块42。其中，图像获取子模块41将当前图像以电信号的形式传递给发射子模块42。这样，便实现对了现场环境的实时获取。
[0043]在一个具体的实施例中，该双目视觉获取模块4可为双目视觉摄像头，直接设置在如下所述的角度转动部件5上。
[0044]如图1所示，主端人体姿态采集单元1还包括双目视觉成像模块13,该双目视觉成像模块13与发射子模块42是有线的电连接。具体地，该发射子模块42将其接收到的当前图像的电信号无线传输给双目视觉成像模块13，同时，结合使用者自身的双眼视觉系统，从而大大地增强了视觉反馈的立体感，使得使用者能够真实、准确地获取从端机器人2所处的环境，进一步地，使得使用者能够在最短的时间内远程控制从端机器人2做出需要的动作姿态，从而完成作业任务。
[0045]在一个具体的实施例中，该双目视觉成像模块13可为双目视频眼镜，能够直接佩戴在使用者的眼睛部位。
[0046]如图2所示，在一个实施例中，该控制系统100还包括能够分别连接从端机器人2的头部23以及躯干21的角度转动部件5，该角度转动部件5与从端主控板211电连接。由于该角度转动部件5的设置，使得从端机器人2的头部23能够相对躯干21进行180度的俯仰及偏航旋转，从而大大地提高了从端机器人2的运动的灵活性，使其更加符合人体的运动标准。
[0047]在一个实施例中，在从端机器人2的机械手臂22的末端设置执行机构接口 6,该执行机构接口6有能促使与其相连接的执行部件221进行五自由度运动。其中，该执行机构接口 6与从端主控板211电连接。这样，通过从端主控板211控制执行机构接口 6，以使得其能够为执行部件221提供五自由度运动的控制信号，S卩，实现各个手指的弯曲。
[0048]在一个具体的实施例中，该执行部件221可为仿生机械手或小于五自由度的夹持部件，从而来适应不同的作业需求。
[0049]在一个实施例中，各关节角度执行部件3为舵机或伺服电机。其中，舵机具有反应快和执行动作迅速的优点，从而使得本申请的机械手臂22能够较为灵活地动作。容易理解， 舵机的具体结构是本领域的技术人员所熟知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。
[0050]在另一个实施例中，该控制系统100还包括能够带动从端机器人2行走的行走模块 7。该行走模块7为轮式底盘或履带式底盘。具体地，从端机器人2为可更换底盘的半身仿人机器人，其由模块化设计的可更换底盘和与人体上半身结构相似的仿人机器人的上身组成。[0051 ]由于本申请的行走模块7可为轮式底盘，使得从端机器人2可以适于在室内环境内进行灵活地移动，或该行走模块7为履带式底盘，因而具有越障性能好的优点，使得从端机器人2可以适于在野外环境中行走。[〇〇52]综上所述，本申请的控制系统100通过将主端人体姿态采集单元1穿戴在使用者的身上，通过主端人体姿态采集单元1中的各个采集板12分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的四元数，并将各四元数分别传输给主端主控板11，通过主端主控板11利用人体姿态解算算法对各四元数进行解算，以得到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号，并将该电信号传输给从端机器人2的从端主控板21，从而使得从端机器人2能够跟随人体做出相同的动作姿态。这样，相对于现有的控制系统而言，即，现有的控制系统需要为从端机器人专门设计主端机器人。然而，本申请则是直接通过将主端人体姿态采集单元1穿戴在人体上，从而来控制从端机器人2的动作。由此可见，本申请的控制系统100能够更为直接地控制从端机器人2的动作，从而大大地提高了人机交互的柔顺性。[〇〇53]此外，由于从端机器人2通常处在危险的作业环境中，因而，为提高控制系统的便携性，需使得该控制系统中的部件越少越好。然而，本申请的控制系统100由于省去了现有技术中的主端机器人，从而使得控制系统100的组成更为简单化，方便对从端机器人2的控制。[〇〇54]另外，通过增设行走模块7，该行走模块7可为轮式底盘，使得从端机器人2可以适于在室内环境内进行灵活地移动，或该行走模块7为履带式底盘，因而具有越障性能好的优点，使得从端机器人2可以适于在野外环境中行走。
[0055]如图4所示，根据本发明，还提供了一种遥操作随动机器人的控制方法，包括:[〇〇56]步骤S410,通过各采集板12分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的四元数，并将各四元数分别传输给主端主控板11。具体地，将主端人体姿态采集单元1穿戴在使用者身上后，位于各关节部位的采集板12能够分别获取相应关节部位的动作姿态的信息，并将该信息以四元数的形式表示。[〇〇57]步骤S420,通过主端主控板11采用人体姿态解算算法对各四元数进行解算，以得到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号。
[0058]步骤S430,通过主端主控板11将代表人体的各关节部位的关节角度的电信号传输给从端主控板211。即，主端主控板11将各关节部位的关节角度的电信号无线传输给从端主控板211，从而实现对从端机器人2的控制，以使其做出与人体相同的动作姿态。[〇〇59]步骤S440,从端主控板211接收到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号后， 控制从端机器人2的相应部位跟随人体做出与人体相同的动作姿态。这样，便实现了人与机器人的人机交互，并使得人机交互的柔顺性大大地提高，即，人能够更为直接地控制从端机器人2做出需要的动作，以更好地完成作业任务。
[0060]在一个实施例中，各采集板12通过采用惯性导航技术以分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的信息，并将该信息以四元数的形式表示。容易理解，惯性导航技术是本领的技术人员所熟知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。
[0061]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，能够穿戴在人体上的主端人体姿态采集单元，所述主端人体姿态采集单元包括主端主 控板和能够实时检测人体各关节部位的动作姿态的多个采集板，各所述采集板均与所述主 端主控板电连接；以及从端机器人；其中，通过各所述采集板分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的四元数， 并将各所述四元数分别传输给所述主端主控板，通过所述主端主控板利用人体姿态解算算 法对各所述四元数进行解算，以得到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号，并将该 电信号传输给所述从端机器人的从端主控板，从而使得所述从端机器人能够跟随人体做出 相同的动作姿态。2.根据权利要求1所述的遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统还包 括设置在所述从端机器人的躯干上的所述从端主控板，其中，所述从端主控板与所述主端 主控板无线连接。3.根据权利要求2所述的遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统还包 括分别设置在所述从端机器人的机械手臂的各个关节部位的关节角度执行部件，各所述关 节角度执行部件均与所述从端主控板电连接。4.根据权利要求1所述的遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统还包 括设置在所述从端机器人的头部的双目视觉获取模块，所述双目视觉获取模块包括能够获 取当前图像的图像获取子模块和与所述图像获取子模块电连接的发射子模块，其中，所述 图像获取子模块将当前所述图像以电信号的形式传递给所述发射子模块。5.根据权利要求4所述的遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，所述主端人体姿态 采集单元还包括双目视觉成像模块，所述双目视觉成像模块与所述发射子模块无线连接。6.根据权利要求1所述的遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统还包 括能够分别连接所述从端机器人的头部以及躯干的角度转动部件，所述角度转动部件与所 述从端主控板电连接。7.根据权利要求2所述的遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，在所述从端机器人 的机械手臂的末端设有能促使与其相连接的执行部件进行五自由度运动的执行机构接口， 所述执行机构接口与所述从端主控板电连接。8.根据权利要求3所述的遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，各所述关节角度执 行部件为舵机或伺服电机。9.根据权利要求1所述的遥操作随动机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统还包 括能够带动所述从端机器人行走的行走模块。10.—种使用上述权利要求1至9中任一项所述的遥操作随动机器人控制系统的控制方 法，包括:通过各所述采集板分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的四元数，并将该 四元数传输给所述主端主控板；通过所述主端主控板采用人体姿态解算算法对各所述四元数进行解算，以得到代表人 体的各关节部位的关节角度的电信号；通过所述主端主控板将代表人体的各关节部位的关节角度的电信号传输给所述从端主控板；所述从端主控板接收到代表人体的各关节部位的关节角度的电信号后，控制所述从端 机器人的相应部位跟随人体做出与人体相同的动作姿态。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，各所述采集板通过采用惯性导航技术以 分别获取能够代表人体的各关节部位的动作姿态的信息，并将该信息以四元数的形式表不。
【文档编号】B25J9/16GK106003053SQ201610617043
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】左国玉, 邱永康, 卢佳豪, 于双悦
【申请人】北京工业大学