仿生机械手控制系统和仿生机械手的制作方法

本发明涉及自动控制领域，尤其是涉及一种仿生机械手控制系统和仿生机械手。

背景技术：

目前，在一些恶劣环境下的危险作业需要人工进行，例如地震发生后对于坍塌建筑下的生命财产挖掘救援，军事行动中战场危险环境下的拆弹作业，还有太空环境下的对于设备的出舱维修等工作，现有的机械操作设备存在着灵活度不高，难以控制等缺点，但是在这些情况下，人工作业不仅危险系数高，操作者的生理和心理压力承受度有限，这些危险环境下的操作可能会造成生命和财产的巨大损失。因此基于安全和效率的考虑下，仿生机械手的应用越来越广泛，其既能够保障操作者的生命财产安全，又能够高效灵活的完成危险环境下的必要作业。

但是目前的仿生机械手多是通过ipv4协议方式进行控制信号传输，其传输效率低，导致控制信号不能对机械手进行实时控制，有可能造成生命和财产的巨大损失，同时传输网络的安全性差，有可能受到干扰改变控制信号，导致控制操作失误。因此需要提出一种能够提高仿生机械手控制驱动信号传输效率和安全性的仿生机械手控制系统。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种仿生机械手控制系统，能够提高仿生机械手控制驱动信号的传输效率和安全性。

第一方面，本发明的一个实施例提供了：一种仿生机械手控制系统，用于控制仿生机械手，包括：

第一传感器：用于检测并采集手势信息；

手势识别系统上位机：用于接收所述手势信息，并将所述手势信息转化为所述仿生机械手的控制驱动信号；

下位机控制器：用于与所述手势识别系统上位机通过ipv6网络进行连接，接收并传输所述控制驱动信号，所述控制驱动信号传输时，通过ipv6协议加密方式进行对所述控制驱动信号进行加密和对应的解密；

机械手控制器：用于接收所述控制驱动信号，并根据所述控制驱动信号驱动所述仿生机械手的电机，实现对所述仿生机械手的控制。

进一步地，所述第一传感器为leapmotion传感器，用于识别检测区域的手势动作，采集所述手势动作中包含的手势信息，所述手势信息包括：位置信息、动作信息、运动信息。

进一步地，将所述手势信息转化为所述仿生机械手的控制驱动信号具体包括：

根据所述手势信息与所述仿生机械手之间的映射关系得到所述仿生机械手的每个手指指尖与手掌中心的位置关系；

根据所述位置关系分别计算得到每个手指舵机对应的驱动信号，所述驱动信号为脉冲宽度调制信号。

进一步地，所述手势识别系统上位机与所述下位机控制器通过ipv6网络连接具体包括：通过socket编程建立所述手势识别系统上位机的客户端与所述下位机控制器的服务端之间的连接，建立连接成功后，采用tcp协议进行所述控制驱动信号的传输。

进一步地，还包括图像采集设备与所述机械手控制器连接，实时采集所述仿生机械手的动作画面，并将所述动作画面回传至所述手势识别系统上位机。

进一步地，所述第一传感器系统采用右手笛卡尔坐标系，所述坐标系的原点在所述第一传感器的中心，x轴和z轴在所述第一传感器的水平面上，y轴垂直于所述第一传感器的水平面。

进一步地，所述仿生机械手包括设于底端的支撑平台，所述支撑平台上连接竖直支架，所述竖直支架中包括：五个机械手指舵机，分别连接五根的机械手指。

进一步地，所述下位机控制器通过串口模块与所述机械手控制器连接，所述机械手控制器利用所述控制驱动信号控制所述手指舵机的旋转角度实现对所述机械手指的控制。

进一步地，还包括人脸识别模块：用于进行人脸识别获得操作人员身份，身份验证成功后，所述手势识别系统上位机接收所述操作人员的手势信息。

第二方面，本发明的一个实施例提供了：一种仿生机械手，其特征在于，应用于如第一方面任一项所述的一种仿生机械手控制系统中。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的仿生机械手控制系统，用于控制仿生机械手，包括：用于检测并采集手势信息的第一传感器；用于接收手势信息，并将手势信息转化为仿生机械手的控制驱动信号的手势识别系统上位机；用于与手势识别系统上位机通过ipv6网络进行连接，接收并传输控制驱动信号的下位机控制器，控制驱动信号传输时，通过ipv6协议加密方式进行对控制驱动信号进行加密和对应的解密，以及用于接收控制驱动信号，并根据控制驱动信号驱动仿生机械手的电机，实现对仿生机械手的控制的机械手控制器。通过ipv6网络协议进行连接，利用ipv6协议对传输的控制驱动信号进行加解密，增加了传输网络的安全性，同时由于ipv6使用更小的路由表，能够减少路由器中路由表的长度，因此提高了路由器转发数据包的速度，即提高了控制驱动信号的传输效率，能够实时对仿生机械手进行控制。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明实施例中一种仿生机械手控制系统的一具体实施例结构框图；

图2是本发明实施例中一种仿生机械手控制系统的一具体实施例坐标系示意图；

图3是本发明实施例中一种仿生机械手控制系统的一具体实施例指尖坐标系和手掌坐标系示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

实施例一：

仿生机械手是一种具有和人手有着相似的外形和尺寸的通用末端执行器设备，可以像人手一样抓取并操作物体，在有限空间中有着较高的自由度，在很多领域中得到应用。因此本发明实施例一针对仿生机械手提供一种仿生机械手控制系统。

图1为本发明实施例提供的一种仿生机械手控制系统的结构框图，如图1所示，该系统用于控制仿生机械手100，包括：

第一传感器200：用于检测并采集手势信息。

例如，本实施例中第一传感器200可以选用leapmotion传感器，用于识别检测区域的手势动作，采集手势动作中包含的手势信息，其中手势信息包括：位置信息、动作信息、运动信息。

leapmotion传感器是一种面向pc以及mac的体感控制器，在通过usb连接到手势识别系统上位机300(例如可以选用pc电脑作为手势识别系统上位机)后，创造出一个4立方英尺的工作空间，即检测区域，在检测区域中，leapmotion传感器根据内置的两个高帧摄像头以及一个红外滤光器进行人手定位和手指位置数据采集，从不同角度捕捉的画面，检测并跟踪手、手指、手臂位置以及手势动作，通过模拟双目视觉技术，重建出真实世界三维空间的手势动作，并采集手势动作中的手势信息以数据帧的形式发送给手势识别系统上位机300。

进一步地，本实施例中leapmotion传感器可以检测并跟踪手、手指和类似手指的工具，采集的手势信息包括：位置信息、动作信息、运动信息。例如，位置信息包括：手指等的移动位置，通过位置信息可以进行手指等定位；动作信息包括：握拳、手掌打开、用手势比划数字等手势动作；运动信息包括：手掌、手臂等部件的运行状态，例如挥舞、伸缩等。操作人员在leapmotion传感器的检测区域上单手做出相应的手势动作，对应于仿生机械手100上也同样做出相应动作，避免现有一些放生机械手需要手柄进行复杂控制的问题。可以理解的是，上述手势信息的描述仅做示意并不做具体限定。

手势识别系统上位机300：用于接收手势信息，并将手势信息转化为仿生机械手100的控制驱动信号。

当第一传感器为leapmotion传感器时，在手势识别系统上位机300中安装leapmotion传感器对应的控制器，接收包含手势信息的数据帧，将数据帧中的手势信息转化为仿生机械手100的控制驱动信号，用以实时控制仿生机械手100。

下位机控制器400：用于与手势识别系统上位机300通过ipv6网络进行连接，接收并传输控制驱动信号，控制驱动信号传输时，通过ipv6协议加密方式进行对控制驱动信号进行加密和对应的解密。

机械手控制器500：用于接收控制驱动信号，并根据控制驱动信号驱动仿生机械手的电机，实现对仿生机械手的控制，例如可以选用stm32f407ze系列芯片作为机械手控制器500。

目前的仿生机械手多是通过ipv4协议方式进行控制信号传输，一方面，其传输效率低，导致控制信号不能对机械手进行实时控制，有可能造成生命和财产的巨大损失，另一方面，传输网络的安全性差，有可能受到干扰改变控制信号，导致控制操作失误。同时现在ipv4的资源即将耗尽，因此本实施例中采用ipv6网络进行连接，用以传输控制驱动信号，减少数据传输延时，增强数据传输安全性。

ipv6网络具有较大的编码地址空间，同时ipv6采用比ipv4更小的路由表，能够明显减少路由器中路由表的长度，从而提高路由器转发控制驱动信号数据包的速度。并且ipv6中支持对地址的自动配置，使得包括局域网在内的网络管理更加方便和便捷，如果在一个场景中需要多个仿生机械手进行工作时，能够对网络进行集中管理，进行大规模远程部署。

进一步地，ipv6网络具有更高的安全性，使用时，可以对网络层传输的控制驱动信号按照ipv6协议加密方式进行数据加密同时对ip报文进行校验，可以增强网络数据传输的安全性，可以理解的是，当手势识别系统上位机300发送加密的控制驱动信号到下位机控制器400时，下位机控制器400通过对应的解密方式对控制驱动信号进行解密。

本实施例基于ipv6网络来完成上述控制驱动数据的传输，按照传输需求分配ipv6地址，并选择适合的通信模式和连接方式，完成包括ipv6qos、ipv6组播、ipv6安全部署在内的网络设置。实现低延迟的实时远程控制，相比较现有的网络连接，能够降低网络对于图像数据和控制数据造成的延迟，将数据的延迟控制在毫秒级。

手势识别系统上位机300与下位机控制器通过ipv6网络连接具体包括：通过socket编程建立手势识别系统上位机300的客户端与下位机控制器400的服务端之间的连接，建立连接成功后，采用tcp协议进行控制驱动信号的传输。

其中下位机控制器400可以选用raspberrypi微型系统，中文名为树莓派，实际使用时，在手势识别系统上位机300中输入树莓派的网络ip地址和端口进行ipv6网络连接，通过ipv6网络进行通信，下位机控制器400和机械手控制器500可以通过usb串口方式连接，同时可以将下位机控制器400和机械手控制器500嵌入在仿生机械手100上，实现精简结构的目的，且可以便利地将仿生机械手100和下位机控制器400同时移动至所需操作位置，便于实际使用。

另外，还包括图像采集设备600与机械手控制器500连接，实时采集仿生机械手的动作画面，并将动作画面通过下位机控制器400回传至手势识别系统上位机300进行显示，便于操作者实时对周围环境进行远程监控，及时调整手势动作，其中图像采集设备600可以是高清摄像头。

为了增加使用安全性，还包括人脸识别模块700：用于进行人脸识别获得操作人员身份，身份验证成功后，手势识别系统上位机300接收操作人员的手势信息。

在一种具体实施方式中，手势识别系统上位机300需要将采集得到的数据帧进行解析和转换后才可以有效控制仿生机械手100，将手势信息转化为仿生机械手的控制驱动信号的过程具体包括：

根据手势信息与仿生机械手之间的映射关系，采用空间逆解算法得到仿生机械手的每个手指指尖与手掌中心的位置关系，然后根据位置关系分别计算得到每个手指舵机对应的驱动信号，驱动信号为脉冲宽度调制信号。

如图2所示，为本实施例的坐标系示意图，本实施例中leapmotion传感器系统采用右手笛卡尔坐标系，坐标系的原点在leapmotion传感器的中心，x轴和z轴在leapmotion传感器的水平面上，y轴垂直于leapmotion传感器的水平面。

数据帧中包含用于实施控制的数据信息列表，例如可以通过hands表示所有的手的数据，fingers表示所有的手指的数据，tools表示所有的工具数据，gestures表示所有的手势数据，包括开始、结束或者在进行中的各种手势信息。

本实施例中的仿生机械手100结构的一种方式描述为：仿生机械手100包括设于底端的支撑平台，支撑平台上通过螺栓连接的方式连接竖直支架，竖直支架中包括：五个机械手指舵机，分别连接五根的机械手指。竖直支架可以理解为手臂，机械手指可以选择自由度为3的机械手指，保证操作灵活，可以更好的执行操作者的手部动作。仿生机械手通过竖直支架中间的金属连杆与对应的舵机连接，机械手控制器500与仿生机械手100的五个舵机连接，通过控制舵机的旋转角度带动竖直连杆控制机械手，完成动作控制。

如图3所示，为本实施例的指尖坐标系和手掌坐标系示意图。在leapmotion模型里，手指和工具的物理特征被抽象到一个端点对象中，即将手指和工具作为一类端点对象，建立指尖坐标系tipposition和手掌坐标系palmposition，在leapmotion的坐标系下，手掌中心的坐标可以以毫米为单位来进行衡量。

当操作人员在leapmotion传感器的上方做出不同的手势动作，通过palmposition()函数方法返回手掌中心到传感器设备原点的坐标，该坐标记为palm.x、palm.y、palm.z，然后通过tipposition()函数方法返回操作人员手掌上五根手指的指尖坐标，分别记为向量index,thumb,middle,ring,pinky，分别表示：食指、大拇指、中指、无名指和小拇指的指尖坐标。

以thumb为例，thumb.x，thumb.y，thumb.z分别代表leapmotion传感器获取到的大拇指在坐标系下的位置数据，然后根据手势信息与仿生机械手之间的映射关系分别计算五根手指指尖与手掌中心的距离(即位置关系)，公式表示为：

类似的可以得到其他四根手指与手掌中心之间的距离，分别记为食指x2，中指x3，无名指x4，小拇指x5。

通过计算得到五根手指指尖与手掌中心之间的距离后，根据位置关系分别计算得到每个手指舵机对应的驱动信号，驱动信号是一种脉冲宽度调制信号。例如：分别记控制仿生机械手的大拇指，食指，中指，无名指，小拇指的舵机为第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机，记其脉冲宽度调制信号数据为p1、p2、p3、p4、p5，根据实际仿生机械手的结构参数进行计算。

下面是一种具体实施方式的计算过程。

p1＝2500-(x1-30)*28

p2＝(x2-30)*28

p3＝(x3-30)*28

p4＝(x4-30)*28

p5＝2500-(x5-30)*28

上述具体实施方式中，由于舵机的控制需要脉冲，数字的含义是指的向舵机传递的波形数据。例如：2500代表着的脉冲角度为180的舵机旋转，计算后的p值用于控制脉冲波形，其中28、30等数据是具体实验得到的一组数据，可以理解的是，实际过程中可以进行调整，本实施例对此不作具体限定。

手势识别系统上位机300将解析后的上述驱动信号发送给下位机控制器400进行仿生机械手100的实时控制。

本实施例的仿生机械手控制系统，通过ipv6协议加密方式进行对控制驱动信号进行加密和对应的解密，以及用于接收控制驱动信号，并根据控制驱动信号驱动仿生机械手的电机，实现对仿生机械手的控制的机械手控制器。增加了传输网络的安全性，同时由于ipv6实用更小的路由表，能够减少路由器中路由表的长度，因此提高了路由器转发数据包的速度，即提高了控制驱动信号的传输效率，能够实时对仿生机械手进行控制。

实施例二：

本实施例提供一种仿生机械手，应用于如实施例一任一项所述的一种仿生机械手控制系统中。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。