通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，属于机器人领域，解决现有技术中机器人控制方式效果不佳的技术问题，本发明提供的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，包括穿戴固定机构和布置在穿戴固定机构上的电器组件，电器组件包括若干传感器模块和控制器，传感器模块包括加速计、磁力仪、陀螺仪和微控单元，加速计、磁力仪、陀螺仪通过微控单元连接控制器，穿戴固定机构穿戴在人体上。
【专利说明】
通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种机器人控制系统。
【【背景技术】】
[0002]目前，机器人的应用越来越广泛，但是机器人的控制存在很多不足，通过编程控制机器人的方式决定了其无法对机器人进行实时的操作，而只能通过运行事先编译好的代码控制机器人做设定好的动作；同时通过编程控制机器人还有着较高的编程专业要求，因此对机器人的操控者有较大的限制。通过摇杆按键的方式分别控制机器人的每个关节会导致控制过程非常繁琐。现有技术通过深度与2D画面识别或穿戴外骨骼的形式来进行人体姿态的识别，然而通过深度与2D画面识别和穿戴外骨骼的形式对机器人进行控制，仍存在如下缺陷:
[0003]一、精度低:深度与2D画面识别人体姿态存在精度低的问题，虽可以识别出人体的大致姿态，但根据深度与2D画面识别出来的人体姿态进行机器人的高精度操作在目前的技术条件下是无法达到的，因此通过深度与2D画面识别姿态并操纵机器人会存在精度上极大的限制。
[0004]二、操控环境限制性强:由于深度与2D画面识别方法中深度传感器对红外线的强度比较敏感，因此使用该技术控制机器人会对操控环境有比较多的限制。比如在室外阳光照射强烈的情况下，人体姿态的采集和识别则只能在室内进行。
[0005]三、姿态限制多:由于深度与2D画面识别的特定属性，当肢体之间比较靠近时，有可能出现姿态无法识别的情况。比如当手臂比较靠近身体时，深度与2D画面识别的方法很有可能无法区分出手臂贴合身体和手臂与身体呈小角度的两种情况。并且由于深度与2D画面识别是通过摄像头和深度传感器等设备进行姿态采集，还需要操控者始终站在设备接收范围内，也就限制了操控者的活动范围。
[0006]四、便携性差:穿戴外骨骼类型的人体姿态追踪系统，虽然有精度高的特点，但外骨骼的佩戴会导致整套系统的便携度大大降低，只能在固定场所操作。
【
【发明内容】
】
[0007]本发明解决的技术问题是提供通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，改善对机器人的控制效果。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0009]通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，包括穿戴固定机构和布置在穿戴固定机构上的电器组件，所述电器组件包括若干传感器模块和控制器，所述传感器模块包括加速计、磁力仪、陀螺仪和微控单元，所述加速计、磁力仪、陀螺仪通过微控单元连接所述控制器，所述穿戴固定机构穿戴在人体上。
[0010]进一步的，所述穿戴固定机构上设有压力传感器，所述压力传感器连接所述控制器。[0011 ]进一步的，所述控制器上连接有计算机，所述计算机连接有机器人。
[0012]进一步的，所述计算机上连接有图像显示单元和发声单元。
[0013]进一步的，所述控制器与计算机通过UART协议无线连接。
[0014]进一步的，所述控制器以I2C协议连接所述微控单元。
[0015]进一步的，所述通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统还包括若干壳体，所述壳体用于承载所述电器组件，所述壳体可拆卸安装在所述穿戴固定机构上。
[0016]进一步的，所述壳体包括外壳、盖板和插头，所述盖板与外壳拆分连接，且盖板与外壳之间形成有用于容纳电器组件的安装室，所述壳体上设有插孔，所述电器组件上设有插槽，所述插头上设有插针和导线，所述插针穿过插孔与插槽连接。
[0017]进一步的，所述壳体还包括设置在安装室中的固定架，所述固定架的顶面设有用于定位所述电器组件的定位槽，所述固定架一端与安装室的侧壁之间设有弹簧，所述固定架另一端设有凸块，所述安装室的侧壁设有连接凸块的避让槽。
[0018]进一步的，所述外壳包括底板、相对设置在底板上表面的两个侧板、设置在两个侧板之间的前端盖，所述盖板包括上盖和设置在盖板底面的后盖板，所述侧板的相对面设有滑槽，所述上盖与滑槽连接，所述后盖板与底板通过螺钉连接，所述上盖上设置所述插孔，所述底板上设有通孔，所述固定架上设有位于插槽正下方的连接孔，所述插针依次穿接所述插孔、插槽、连接孔和通孔。
[0019]本发明的有益效果:
[0020]本发明通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，若干传感器模块对人体姿态进行追踪，对人体的上半身姿态进行实时的检测、分析与追踪。传感器模块包括有加速计、磁力仪和陀螺仪，陀螺仪提供的角速度积分后得到角度，加速计提供x，y轴的零度角和修正偏移，磁力仪提供z轴的零度角和修正偏移，通过融合了这三个传感器的绝对角度，可直接得到关节姿态，能对机器人进行实时的操作，控制简单，不需要通过很专业的培训就能使用。且本发明，不同于通过深度与2D画面识别对人体姿态进行识别，由于该套系统采用传感器模块为人体姿态采集的方式，因此在人体姿态追踪和后续的机器人控制上可以达到很高的精度。不同深度与2D画面识别有对红外线强度高度敏感等限制，使用传感器模块进行人体姿态追踪大大减小了对操控环境的要求，使得该技术的应用面得到更好的拓展。且不存在姿态上的限制，更易于机器人精确复制操控者姿态，而且穿戴固定机构可穿戴，携度远远超越外骨骼类型的姿态追踪系统。
[0021]本发明的这些特点和优点将会在下面的【具体实施方式】、附图中详细的揭露。
【【附图说明】】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步的说明:
[0023]图1为本发明的原理图；
[0024]图2为本发明中壳体和穿戴固定机构的安装示意图；
[0025]图3为本发明中壳体的结构不意图一；
[0026]图4为本发明中壳体的爆炸示意图；
[0027]图5为本发明中壳体的结构示意图二。【【具体实施方式】】
[0028]下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0029]参考图1和图2所示，通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，系统包括穿戴固定机构6和布置在穿戴固定机构6上的电器组件，电器组件包括若干传感器模块2和控制器3，传感器模块2包括集合在同一块芯片上的加速计21、磁力仪22、陀螺仪23和微控单元24，加速计21、磁力仪22、陀螺仪23通过微控单元24连接控制器3，若干传感器模块2设置在穿戴固定机构上，根据要完成的动作不同，在穿戴固定机构布置传感器模块2，穿戴固定机构穿戴在人体上，例如穿戴在手部、指尖和手臂等部位。若干传感器模块2对人体姿态进行追踪，对人体的上半身姿态进行实时的检测、分析与追踪。传感器模块2包括有加速计21、磁力仪22和陀螺仪23，陀螺仪23提供角速度积分后得到角度，加速计21提供x，y轴的零度角和修正偏移，磁力仪22提供z轴的零度角和修正偏移，通过融合了三个传感器的绝对角度，可直接复制关节姿态。
[0030]且传感器模块2具有卡尔曼滤波功能，通过卡尔曼滤波功能来输出融合加速计21、磁力仪22和陀螺仪23的感应信号，卡尔曼滤波功能将过去的测量估计误差合并到新的测量误差中来估计将来的误差，从而提尚控制的精确度。
[0031]本发明中，穿戴固定机构上设有压力传感器4，压力传感器4连接控制器3。手指端设置压力传感器4，对于支持力矩控制的机器人8，在压力传感器检测4到一定压力时，可在人体姿态控制的基础上，进行力矩控制，让机器人8几个关节也转动到一定的力矩，来更好的抓取或者操控物体。
[0032]将控制器3与计算机7连接，计算机7与机器人8通讯连接。传感器模块2采集的姿态数据由控制器3传送到计算机7，计算机7通过行动规划后会将控制指令生成并传输到机器人8上。由于使用了若干传感器模块2对各个需要监控的活动肢体进行姿态追踪，当此控制系统使用在机器人8上时，只需要简单地复制关节姿态，即可达到对操控者姿态的复制。若机器人8为非人形的机器人或自由度相差过大的情况下，则在姿态追踪系统给定手部位置的情况下，可根据机器人形态用逆运动学得出各关节的活动以达到控制末端的方向和位置的完全控制。
[0033]进一步的，在远程控制机机器人8时，机器人8会将状态和环境画面等回馈给计算机7，并在计算机7上连接有图像采集单元5和声音采集单元6，以实现双向的画面与声音应传输，来达到利用机器人8进行远程交互的目的。该系统还支持记录回放功能，此功能对于机器人8生产或进行重复工作至关重要，系统可自动保存控制过程中采集到的人体姿态，产生的控制指令及机器人8反馈的信息，以后即可通过重放记录来控制机器人8。
[0034]优选的连接方式:微控单元24和控制器3之间通过I2C协议连接。控制器3与计算机7通过UART协议无线连接，以四次元的格式传输每个传感器模块2提供的绝对角度，以确保控制的高精度，计算机7在得到每个肢体的角度后，可因此构建出整个人体的实时姿态。无线连接可以是蓝牙或是wifi;在本发明的其他实施例中，也可采用有线连接。
[0035]还在机器人8中加入对控制信号的进一步处理。在机器人8中添加低通滤波功能，低通滤波用于抑制控制信号的高频噪音和平滑机器人8的运动。也可选择性的加入行动规划功能，比如路径规划，壁障等。这两种功能可以通过机器人支持的ROS(Robot OperatingSystem)通用系统快速添加，若机器人本身自带这两个功能，则可以使用其自带的功能;若都不支持，则可将此功能转移至计算机7中完成，然后直接输出机器人支持的控制指令。
[0036]为解决每次佩戴时不同位置可能产生的误差，在初次使用时，用户可设定固定姿态，计算机可根据系统传回的各肢体角度和预设实物固定姿势下各肢体角度进行比较校准，以移除偏差。
[0037]参考图2、图3和图4，穿戴固定机构6上可拆卸安装有壳体9，壳体9中设置电器组件I，即壳体9中设置传感器模块2或是控制器3等电器元件，穿戴固定机构6穿戴至人体上。以对各个需要监控的活动肢体进行姿态追踪，以此控制机器人。在该系统出现某个壳体9中的电器组件I损坏或故障导致整套系统无法正常运行时，可对单个壳体9进行拆卸更换或是拆卸维修，拆卸方便，因此对维修过程的逐个排查与更换的过程大大简化。由于该结构具有易拆卸、易更换的特点，当电器组件产生故障或是破损时，检测人员可以轻易将壳体逐个拆下与测试，同样的因为易拆卸的特点，使得每次的产品升级时，不需要对整体进行更换，降低了成本。标准化的结构也可以使开发或自定义新模块的过程十分简单。该系统的设计也同时令使用者能够根据自己的实际需求对于系统进行人性化的自定义。
[0038]本发明中，壳体9的底面设有第一魔术贴，穿戴固定机构6上设有第二魔术贴，第一魔术贴与所述第二魔术贴粘连，从而将壳体9可拆卸安装在穿戴固定机构6。或者，壳体9与穿戴固定机构6通过胶体连接。在本发明的其他实施例中，可拆卸安装方式也可以是其他现有公知的可拆卸安装结构。
[0039]其中，穿戴固定机构6包括指环、臂环、手掌套，根据模拟的动作选择穿戴所需的穿戴固定机构6。
[0040]参考图3、图4和图5，壳体9包括外壳91、盖板92和插头93，盖板92与外壳91拆分连接，且盖板92与外壳91之间形成有用于容纳电器组件I的安装室，壳体9上设有插孔95，电器组件I上设有插槽11，插头93上设有插针932和导线931，插针932穿过插孔95与插槽11连接，壳体9上的导线931与另一个壳体9上的导线931相连。壳体9可拆分，因此可进一步方便对壳体9内的电器组件I进行检测和更换；产品更新换代时，也只需将核心的电器组件I进行更换。
[0041 ]具体的，外壳91包括底板911、相对设置在底板911上表面的两个侧板912、设置在两个侧板912之间的前端盖913，盖板92包括上盖921和设置在盖板92底面的后盖板92，两个侧板912相对面的顶端设有滑槽916，上盖921与滑槽916连接，后盖板92与底板911通过螺钉97连接。电器组件I安装在外壳91中，如此设置，盖板92打开后，外壳91的敞口大，便于电器组件I的安放和取出，并且仅需将后盖板92与底板911螺钉97连接，就能将外壳91和盖板92可靠固定在一起。
[0042]壳体9还包括设置在安装室中的固定架94，固定架94的顶面设有用于定位电器组件I的定位槽941，在人体运动的过程中减小对电器组件I的损伤。固定架94与后盖板92之间设有弹簧96，固定架94朝向前端盖913—端设有凸块952，前端盖913设有连接凸块952的避让槽914，弹簧96的弹力作用使固定架94与前端盖913相抵，凸块952延伸出避让槽914，此时插孔95与插槽11错位，按压凸块952使弹簧96压缩的状态下，插孔95与插槽11相对，此时才能将插针932穿过插孔95与插槽11连接;松开凸块952后，弹簧96的弹力使电器组件I与插针932相抵，防止插针932脱落，轻按凸块952就能拔出插针932，可以实现快速的连接或断开。
[0043]进一步的，上盖921上设置插孔95，底板911上设有通孔915，固定架94上设有位于插槽11正下方的连接孔943，插针932依次穿接插孔95、插槽11、连接孔943和通孔915，电器组件I与插针932相抵时，电器组件I的作用力作用在插针932的中部，可以减小插针932弯曲变形。
[0044]通过上述实施例，本发明的目的已经被完全有效的达到了。熟悉该项技术的人士应该明白本发明包括但不限于附图和上面【具体实施方式】中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
【主权项】
1.通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:包括穿戴固定机构和布置在穿戴固定机构上的电器组件，所述电器组件包括若干传感器模块和控制器，所述传感器模块包括加速计、磁力仪、陀螺仪和微控单元，所述加速计、磁力仪、陀螺仪通过微控单元连接所述控制器，所述穿戴固定机构穿戴在人体上。2.如权利要求1所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述穿戴固定机构上设有压力传感器，所述压力传感器连接所述控制器。3.如权利要求1所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述控制器上连接有计算机，所述计算机连接有机器人。4.如权利要求3所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述计算机上连接有图像显示单元和发声单元。5.如权利要求3所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述控制器与计算机通过UART协议无线连接。6.如权利要求3所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述控制器以12C协议连接所述微控单元。7.如权利要求1至6之一所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统还包括若干壳体，所述壳体用于承载所述电器组件，所述壳体可拆卸安装在所述穿戴固定机构上。8.如权利要求7所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述壳体包括外壳、盖板和插头，所述盖板与外壳拆分连接，且盖板与外壳之间形成有用于容纳电器组件的安装室，所述壳体上设有插孔，所述电器组件上设有插槽，所述插头上设有插针和导线，所述插针穿过插孔与插槽连接。9.如权利要求8所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述壳体还包括设置在安装室中的固定架，所述固定架的顶面设有用于定位所述电器组件的定位槽，所述固定架一端与安装室的侧壁之间设有弹簧，所述固定架另一端设有凸块，所述安装室的侧壁设有连接凸块的避让槽。10.如权利要求9所述的通过对人体姿态动态追踪来控制机器人的系统，其特征在于:所述外壳包括底板、相对设置在底板上表面的两个侧板、设置在两个侧板之间的前端盖，所述盖板包括上盖和设置在盖板底面的后盖板，所述侧板的相对面设有滑槽，所述上盖与滑槽连接，所述后盖板与底板通过螺钉连接，所述上盖上设置所述插孔，所述底板上设有通孔，所述固定架上设有位于插槽正下方的连接孔，所述插针依次穿接所述插孔、插槽、连接孔和通孔。
【文档编号】B25J13/08GK106003105SQ201610599038
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】边凌锋, 曹文恺
【申请人】杭州巴隆科技有限公司, 曹文恺, 边凌锋