一种基于表面肌电信号的移动机器臂系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于表面肌电信号的移动机器臂系统及其控制方法。该系统由可穿戴表面肌电采集环、惯性测量装置、电脑和移动机器臂子系统组成。该系统通过操作者不同手势来控制远端移动机器臂的运动方向、机器臂和夹持器的工作，通过改变手臂刚度来控制移动机器臂的运动速度，使用惯性测量装置捕捉操作者手臂姿态，可远程控制机器臂。该发明专利技术实现了通过操作者改变手臂姿态、手势和肌肉活性远程控制机器臂、移动平台的运动方向和速度，提高了移动机器臂的使用范围和效率。

Mobile robot arm system based on surface EMG signal and control method thereof

The present invention provides a mobile robot arm system based on surface EMG signals and a control method thereof. The system consists of a wearable surface electromyography acquisition loop, an inertial measurement unit, a computer and a mobile robot arm subsystem. The direction of motion of the system, to control the remote mobile robot arm by the operator of different gestures of the robot arm and gripper, stiffness of the moving speed to control the change of mobile manipulator arm, using inertial measurement device to capture the operator arm gesture, remote control robot arm. The invention realizes the remote control of the movement direction and speed of the robot arm and the mobile platform by changing the gesture, gesture and muscular activity of the manipulator, thereby improving the use range and efficiency of the mobile robot arm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面肌电信号的移动机器臂系统及其控制方法
本专利技术属于机器人与生物肌电领域。具体涉及一种利用人体上肢姿态和表面肌电信号控制移动机器臂运动的技术与方法。
技术介绍
随着社会的发展和科学技术的进步，机器人不仅在工业领域，同时在医疗康复，餐饮服务，军事探索等领域发挥越来越大作用。在机器人的控制方式中，人机交互和遥操作受到广泛的关注。在一些危险和复杂的工作环境中，机器人正在逐渐代替人类。机器人大多数采用按键、手柄和遥控的遥操作方式，这些方式上人机交互不够友好。目前，已有大量的实验利用陀螺仪和视频捕捉装置（Kinect）等外部设备通过捕捉人体肢体动作来控制机器臂的运动，但现有的技术对机器臂的只能固定在静止的工作平台。人类的脑电信号和肌电信号控制移动机器人运动也在快速发展，但通过这些方法只能对机器人特定的运动状态进行控制，而不能有效的并且实时的控制移动机器人的运动速度。随着可穿戴设备的发展，若将机器臂和移动机器人的控制结合起来，实现一种可远程控制的移动机器臂，充分发挥两种技术优势，以实现高质量的遥操作效果。目前，关于机器人的遥操作控制的专利主要有：中国公开专利号：CN105014676，名称：一种机器人运动控制方法。该专利技术设计了一种可远程控制机器人运动的系统，由Myo臂环和远程移动机器人组成。Myo臂环采集人体上肢的肌电信号通过蓝牙传送给电脑或者智能手机，然后经过Myo提供的SDK识别出操作者的手势。单片机通过接收到的手势信息来控制移动机器人系统中的电机或鸵机。该专利技术利用人体的表面机电信号来识别手势，进而控制机器人，具有识别率高、成本低廉、人机交互好和能够克服环境噪声干扰的优点。但该专利技术功能不齐全，运用手势控制机器人的运动方向，没有考虑机器人所处的环境，当机器人处在开阔和人流密集的环境以相同的速度行驶，明显降低了机器人的使用效率。中国公开专利号：CN103991492，名称：一种基于Kinect技术的智能小车。该专利技术设计了一种基于Kinect技术的智能小车，由地盘、转轴总成、车轮总成、Kinect传感器、计算机和下位机组成。利用Kinect视觉传感器采集到操作人员的肢体动作或者操作人员的语音指令后，传递给计算机。计算机对所接受的肢体动作或者语音信息进行解析后，向下位机发出指令，进而控制智能小车的运动状态。该专利技术通过识别操作者的动作或者语音，可以精确的控制小车。但是，该专利技术功能过于简单，没有考虑小车所处的环境，当校车处在开阔和人流密集的环境以相同的速度行驶，明显降低了机小车的工作效率，而且，当有噪音或Kinect与操作者之间有障碍物时，该专利技术将无法继续工作。
技术实现思路
本专利技术的目的是：以现有的可穿戴设备，充分利用操作者手臂表面的肌电信号和手臂的姿态，实现一种可远程控制移动机器臂运动方向和速度的系统和方法。该系统由一个近端控制子系统和一个远端移动机器臂子系统组成。近端控制子系统包括生物肌电采集模块和姿态数据采集模块。生物肌电采集模块由可穿戴表面肌电采集环构成，如附图2所示，姿态数据采集由惯性测量装置完成。移动机器臂子系统由移动平台、支撑板、两个机器臂和夹持器组成。本专利技术的技术方案如下：一种基于手臂表面肌电信号的移动机器臂系统，其特征在于它由可穿戴表面肌电采集环、惯性测量装置、电脑和移动机器臂子系统组成,可穿戴表面肌电采集环、惯性测量装置和移动机械臂子系统分别通过无线方式连接电脑。可穿戴表面肌电采集环由N片生物肌电传感器分别嵌入到N个长方体块中，N个长方体块一次链接，构成一个圆环，可穿戴到手臂上用于检测操作者的表面肌电信号。移动机器臂子系统在移动平台的左右两侧分别安装一个类人体手臂的五自由度机器臂，在机器臂的末端分别安装一个夹持器，在移动平台的后方安装一个支撑板，机器臂使用或者取回的物品可放在支撑板上,其中N代表部件数量可以为一个或多个。本专利技术的一种技术方案为提供一种基于手臂表面肌电信号移动机器臂系统的控制方法，其特征在于：通过利用操作者佩戴的可穿戴表面肌电采集环获取手臂表面的肌电信号来估算手臂肌肉活性，建立肌肉活性与操作者手臂刚度的关系，操作者通过调节手臂的刚度，通过无线网络可以实时远程控制移动机器臂子系统中机器臂的运动速度。利用N个生物肌电传感器，对N组数据取平均幅值，然后采用平均滤波法来计算，从而保证机器人运动速度控制的平稳性。利用操作者手势决定是否需要机器臂和夹持器工作，当不需要机器臂工作时，操作者手臂可以随意放置，防止手臂工作太久肌肉疲劳和增加机器臂利用效率，需要夹取物品时，操作者通过手势即可控制。操作者左右手臂各带两个惯性测量装置，分别手臂的上臂和下臂，可计算出操作者每只手臂肩关节和肘关节的5个关节角度，将关节角度通过无线网络发送到移动机器臂子系统，可实现对两个机器臂运动的控制。近端控制子系统通过采集操作者手臂姿态和手臂表面肌电信号，远程控制移动机器臂子系统的运动，如图1所示。具体控制方法：操作者将两个可穿戴表面肌电采集环戴在左右下臂，通过生物肌电传感器可检测到操作者手臂表面的肌电信号。对采集到的肌电信号可进行两方面的处理：第一，通过学习算法识别出操作者的手势；第二，建立肌电信号和手臂刚度模型，通过估算手臂刚度对移动平台进行速度控制。解析到操作者的手势，第一用于控制远端移动机器臂子系统运动方向；第二，用一手势当作机器臂工作的的开关；第三，用以手势控制机器臂末端夹持器的工作。速度控制增益用于远程控制移动机器臂子系统的运动速度。同时，将四个可穿戴惯性测量装置分别带在操作者左右手臂的上臂和下臂，用于计算操作者的手臂姿态数据。计算得到操作者的手臂关节角通过无线网络传送到远端移动机器臂子系统，用于控制机器臂的运动。本专利技术公开了一种可远程控制移动机器臂的系统及控制方法，该系统能够实现一个没有机器人控制经验的操作者远程控制一个可移动的机器臂。本专利技术充分利用人体的上肢进行可操作控制。第一，利用手臂表面的肌电信号识别出操作者的手势对远端机器臂子系统的运动方向、机器臂的工作开关、机器臂末端的夹持器进行控制。第二，通过检测操作者手臂的肌肉活性对远端机器臂子系统的运动速度进行遥操作控制。第三，通过对操作者上臂和前臂的姿态计算，远程控制机器臂的运动。附图说明图1为本专利技术控制方法流程图；图2为本专利技术的可穿戴表面肌电采集环；图3为本专利技术的惯性测量装置；图4为本专利技术移动机器臂子系统的整体示意图；图5为本专利技术移动机器臂子系统的整体正视图；图6为本专利技术移动机器臂子系统的整体正视图；图7为本专利技术移动机器臂子系统的整体俯视图。其中1为移动平台；2为支撑板；3为机器臂；4为夹持器。具体实施方式本专利技术的具体实施方式是：操作者每个手臂各带两个惯性测量装置，分别位于手臂的上臂和下臂。利用惯性测量装置测量到的数据，可以计算操作者肩关节和肘关节的五个关节角度，从而确定操作者的手臂姿态。将两个可穿戴表面肌电采集环分别戴在操作者的左右下臂。其中一个手臂采集到的肌电信号用于解析操作者的手势，另一个表面肌电采集环采集到的肌电信号用于估算操作者手臂的肌肉活性。同时对肌电信号进行两方面的处理：第一，通过学习算法，由肌电信号解析出操作者的手势；第二，对肌电信号求均值、滤波、采样，通过肌电信号估算出操作者手臂的肌肉活性，进而计算速度控制增益，计算方法如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于手臂表面肌电信号的移动机器臂系统，其特征在于它由可穿戴表面肌电采集环、惯性测量装置、电脑和移动机器臂子系统组成, 可穿戴表面肌电采集环、惯性测量装置和移动机械臂子系统分别通过无线方式连接电脑。

【技术特征摘要】
1.一种基于手臂表面肌电信号的移动机器臂系统，其特征在于它由可穿戴表面肌电采集环、惯性测量装置、电脑和移动机器臂子系统组成,可穿戴表面肌电采集环、惯性测量装置和移动机械臂子系统分别通过无线方式连接电脑。2.根据权利要求1所述的一种移动机械臂系统，其特征在于：所述的可穿戴表面肌电采集环由N片生物肌电传感器分别嵌入到N个长方体块中，N个长方体块一次链接，构成一个圆环，可穿戴到手臂上用于检测操作者的表面肌电信号。3.根据权利要求1或2所述的一种移动机械臂系统，其特征在于：所述的移动机器臂子系统在移动平台的左右两侧分别安装一个类人体手臂的五自由度机器臂，在机器臂的末端分别安装一个夹持器，在移动平台的后方安装一个支撑板，机器臂使用或者取回的物品可放在支撑板上。4.一种基于手臂表面肌电信号移动机器臂系统的控制方法，其特征在于：通过利用操作者佩戴的可穿戴表面肌电采集环获取手臂表面的肌电信号来估算手...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐艳宾，贺波涛，杨辰光，
申请(专利权)人：苏州晨本智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32