一种仿人机械臂体感控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种仿人机械臂体感控制系统及控制方法，引入臂型角来定义手臂肩关节、肘关节和腕关节形成的平面与参考平面的夹角大小。通过手掌和肩关节的位置差来确定手臂末端的位置，手臂末端的姿态通过手掌、拇指和手掌末端形成的平面与肩关节坐标系的相对姿态来确定。得到人体手臂的臂型角以及手臂末端的位置和姿态，就可以由控制系统计算出机械臂的七个自由度的角度，从而实现机械臂的精确控制。本发明专利技术与现有技术相比，具有以下优点：基于手臂臂型角的仿人机械臂体感的控制方法，将人体手臂的位置和姿态进行了完整的定义，避免了由于体感设备获取的骨骼数据不足，仿人机械臂自由度过多，反而导致机械臂控制不精确的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人控制领域，更具体地，涉及一种仿人机械臂体感控制系统及控制方法。
技术介绍
多数交互设备需要操作者掌握专业知识才能进行相应的交互操作。而体感技术降低了操作者对外设专业知识的掌握，简化了学习和训练的过程，依靠实时肢体(手势)识别、面部识别及语音识别就可以实现对机器的直接控制。用这种最自然的方式与机器进行交互，可以减轻操作者的负荷。自然的人机交互方式，越来越受到重视。通常，基于体感设备的控制方法采用可穿戴设备来采集骨骼信息，这种设备穿戴繁琐，降低了体感控制的可操作性。目前获取的人体骨骼信息后，大多通过空间向量法计算人体关节角，直接映射到机器人关节角用于控制机器人。但是这种控制方法，由于获取关节数量较少，计算自由度多，操作复杂，控制不精确，缺乏对机器人的完整描述。
技术实现思路
针对现有技术的上述问题，本专利技术旨在克服传统机械臂控制方法操作复杂的缺陷，减少控制机器人所需计算和输出的自由度，使机器人控制更加智能、准确和快速。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种仿人机械臂体感控制系统，包括：体感检测设备、机械臂控制器、机械臂和数据交互平台；体感检测设备的输出端连接数据交互平台的输入端，数据交互平台与机械臂控制器双向连接，机械臂控制器的输出端连接机械臂；体感检测设备，用于提取人体的肩关节中点B、肩关节位置S、肘关节位置E、腕关节位置W、手掌位置H、手末端位置HT和拇指位置T；机械臂，具有对应模拟人体的肩关节中点B'、肩关节位置S'、肘关节位置E'、腕关节位置W'、手掌位置H'；1号关节位于B'和S'之间，1号连杆连接1号关节和S'，2号连杆连接S'和3号关节，3号连杆连接3号关节和E'，4号连杆连接E'和5号关节，5号连杆连接5号关节和W'，6号连杆连接W'和7号关节，7号连杆连接7号关节和H'；S'、E'、W'分别是2号、4号、6号关节；数据交互平台，用于接收和处理体感检测设备上传的人体各位置数据，并据此计算出人体臂型角ψ、手掌位置BPH、手掌姿态BRH，从而根据ψ、BPH、BRH结合机械臂的运动参数计算出机械臂的角度θi，θi表示i号连杆绕i号关节轴线的转角，i＝1,2,…,7；数据交互平台还用于将θi发送给机械臂控制器；机械臂控制器用于将θi转换成运动指令以控制机械臂的运动并将机械臂的运动信息反馈给数据交互平台。进一步地，还包括虚拟场景显示控制台，虚拟场景显示控制台连接在数据交互平台和体感检测设备之间，用于模拟机械臂所处环境以及机械臂的运行结果并根据模拟结果决定机械臂是否执行数据交互平台的运动指令。进一步地，数据交互平台用于按照如下方式确定臂型角ψ：将B、S、W三点确定的平面作为参考平面，将S、W、E三点确定的平面作为臂平面，计算参考平面和臂平面的夹角，记为臂型角ψ。进一步地，数据交互平台用于按照如下方式确定手掌位置BPH：根据B点和H点的坐标，得出手掌相对肩关节中点的位置BPH，BPH＝[(xH-xB),(yH-yB),(zH-zB)]其中，xH、yH、zH是H点的坐标，xB、yB、zB是B点的坐标。进一步地，数据交互平台用于按照如下方式确定手掌位置BPH：根据腕关节W和手掌位置H的坐标，求得向量该方向记为ZH；手掌点H、拇指点T和手掌末端HT三点构成一个平面，XH垂直于该平面；YH是根据ZH和XH由笛卡尔坐标系确定；手臂末端的姿态描述为BRH＝[XH,YH,ZH]。为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种用于上述仿人机械臂体感控制系统的控制方法，包括如下步骤：(1)人体臂型角ψ、手掌位置BPH、手掌姿态BRH的读取及确认体感检测设备提取提取人体上B、S、E、W、H、HT和T七个位置并上传给数据交互平台，在数据交互平台中进行如下定义和计算：将B、S、W三点确定的平面作为参考平面，将S、W、E三点确定的平面作为臂平面，计算参考平面和臂平面的夹角，记为臂型角ψ；根据B点和H点的坐标，得出手掌相对肩关节中点的位置BPH，BPH＝[(xH-xB),(yH-yB),(zH-zB)]其中，xH、yH、zH是H点的坐标，xB、yB、zB是B点的坐标；根据腕关节W和手掌位置H的坐标，求得向量该方向记为ZH；手掌点H、拇指点T和手掌末端HT三点构成一个平面，XH垂直于该平面；YH是根据ZH和XH由笛卡尔坐标系确定；手臂末端的姿态描述为BRH＝[XH,YH,ZH]。(2)数据交互平台根据人体臂型角ψ、手掌位置BPH、手掌姿态BRH结合机械臂的运动学参数计算机械臂的角度θi，θi表示i号连杆绕i号关节轴线的转角，i＝1,2,…,7；(3)数据交互平台将θi输入到机械臂控制器，并由机械臂控制器控制机械臂运动，i＝1,2,…,7。进一步地，还包括虚拟场景显示控制台，在步骤(2)和步骤(3)之间增加如下判定步骤：在虚拟场景显示控制台中模拟机械臂所处环境，以及根据步骤(2)中得到的θi模拟机械臂的运行结果，i＝1,2,…,7，如果模拟结果为机械臂运行有障碍，则虚拟场景显示控制台反馈障碍信息，提示捕捉对象变更动作，返回步骤(1)重新从步骤(1)开始执行；如果模拟结果为机械臂正常运行，则执行步骤(3)。进一步地，步骤(2)中，θi的获得方法如下：(a)坐标系的建立以i号关节+1的轴线为Zi轴，平行于i号关节的轴线的方向为Yi轴建立关于i号连杆的i号坐标系，i＝1,2,…,6；以B'为原点，1号关节的轴线为Z0轴，平行于1号关节的轴线的方向为Y0轴建立0号坐标系作为基坐标系；以H'为原点，关节7的轴线为Z0轴，平行于关节6的轴线的方向为Y7轴建立坐标系7作为机械臂末端坐标系；Xi是根据Zi和Yi由右手定则确定，i＝0,1,…,7；(b)根据捕捉得到的人体手掌位置BPH、人体手掌姿态BRH得到基坐标系中机械臂末端位置0P7和机械臂末端姿态0R7；由人体臂型角ψ得到机械臂的臂型角ψ′，ψ′＝ψ；(c)θ4求解S'、E'、W'在初始状态下的位置用S0'、E0'和W0'表示，与的夹角即为肘部关节角θ4；由于θ4在机械臂的臂平面上，θ4与ψ的大小无关：θ4=θ40-θ4t---(2)]]>其中，表示初始状态下和的夹角，表示在t时刻时和的夹角；(d)θ1、θ2和θ3求解3号坐标系相对于基坐标系的姿态0R3的第一个表达式如下：R03=R0ψ·R3ψ=00---(13)]]>其中，0Rψ-机械臂的臂平面相对于机械臂的参考平面的空间向量关系的旋转矩阵；-当3号坐标系的X3O3Y3平面与参考平面重合时，3号坐标系相对于基座标系的旋转矩阵；而根据正运动学方程可得0R3用θ1、θ2和θ3来表达的第二个表达式如下：R03=s1s3+c1c2c3-c1s2s1c3-c1c2s3-c1s3+s1c2c3-s1s2c1c3-s1c2s3c3s2c2-s2s3---(14)]]>式中，si＝sinθi，ci＝cosθi，i＝1、2、3；方程(13)(14)右侧的对应项相等，求出θ1、θ2和θ3；(e)θ5、θ6和θ7求解；4号坐标系相对于7号坐标系的姿态7R4有如下两种表达式：R74=R7T0·R0ψ·R3ψ=00&CenterD本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿人机械臂体感控制系统，其特征在于，包括：体感检测设备、机械臂控制器、机械臂和数据交互平台；体感检测设备的输出端连接数据交互平台的输入端，数据交互平台与机械臂控制器双向连接，机械臂控制器的输出端连接机械臂；体感检测设备，用于提取人体的肩关节中点B、肩关节位置S、肘关节位置E、腕关节位置W、手掌位置H、手末端位置HT和拇指位置T；机械臂，具有对应模拟人体的肩关节中点B'、肩关节位置S'、肘关节位置E'、腕关节位置W'、手掌位置H'；1号关节位于B'和S'之间，1号连杆连接1号关节和S'，2号连杆连接S'和3号关节，3号连杆连接3号关节和E'，4号连杆连接E'和5号关节，5号连杆连接5号关节和W'，6号连杆连接W'和7号关节，7号连杆连接7号关节和H'；S'、E'、W'分别是2号、4号、6号关节；数据交互平台，用于接收和处理体感检测设备上传的人体各位置数据，并据此计算出人体臂型角ψ、手掌位置BPH、手掌姿态BRH，从而根据ψ、BPH、BRH结合机械臂的运动参数计算出机械臂的角度θi，θi表示i号连杆绕i号关节轴线的转角，i＝1,2,…,7；数据交互平台还用于将θi发送给机械臂控制器；机械臂控制器用于将θi转换成运动指令以控制机械臂的运动并将机械臂的运动信息反馈给数据交互平台。...

【技术特征摘要】
1.一种仿人机械臂体感控制系统，其特征在于，包括：体感检测设备、机械臂控制器、机械臂和数据交互平台；体感检测设备的输出端连接数据交互平台的输入端，数据交互平台与机械臂控制器双向连接，机械臂控制器的输出端连接机械臂；体感检测设备，用于提取人体的肩关节中点B、肩关节位置S、肘关节位置E、腕关节位置W、手掌位置H、手末端位置HT和拇指位置T；机械臂，具有对应模拟人体的肩关节中点B'、肩关节位置S'、肘关节位置E'、腕关节位置W'、手掌位置H'；1号关节位于B'和S'之间，1号连杆连接1号关节和S'，2号连杆连接S'和3号关节，3号连杆连接3号关节和E'，4号连杆连接E'和5号关节，5号连杆连接5号关节和W'，6号连杆连接W'和7号关节，7号连杆连接7号关节和H'；S'、E'、W'分别是2号、4号、6号关节；数据交互平台，用于接收和处理体感检测设备上传的人体各位置数据，并据此计算出人体臂型角ψ、手掌位置BPH、手掌姿态BRH，从而根据ψ、BPH、BRH结合机械臂的运动参数计算出机械臂的角度θi，θi表示i号连杆绕i号关节轴线的转角，i＝1,2,…,7；数据交互平台还用于将θi发送给机械臂控制器；机械臂控制器用于将θi转换成运动指令以控制机械臂的运动并将机械臂的运动信息反馈给数据交互平台。2.如权利要求1所述的一种仿人机械臂体感控制系统，其特征在于，还包括虚拟场景显示控制台，虚拟场景显示控制台连接在数据交互平台和体感检测设备之间，用于模拟机械臂所处环境以及机械臂的运行结果并根据模拟结果决定机械臂是否执行数据交互平台的运动指令。3.如权利要求1所述的一种仿人机械臂体感控制系统，其特征在于，数据交互平台用于按照如下方式确定臂型角ψ：将B、S、W三点确定的平面作为参考平面，将S、W、E三点确定的平面作为臂平面，计算参考平面和臂平面的夹角，记为臂型角ψ。4.如权利要求1所述的一种仿人机械臂体感控制系统，其特征在于，数据交互平台用于按照如下方式确定手掌位置BPH：根据B点和H点的坐标，得出手掌相对肩关节中点的位置BPH，BPH＝[(xH-xB),(yH-yB),(zH-zB)]其中，xH、yH、zH是H点的坐标，xB、yB、zB是B点的坐标。5.如权利要求1所述的一种仿人机械臂体感控制系统，其特征在于，数据交互平台用于按照如下方式确定手掌位置BPH：根据腕关节W和手掌位置H的坐标，求得向量该方向记为ZH；手掌点H、拇指点T和手掌末端HT三点构成一个平面，XH垂直于该平面；YH是根据ZH和XH由笛卡尔坐标系确定；手臂末端的姿态描述为BRH＝[XH,YH,ZH]。6.一种用于权利要求1所述仿人机械臂体感控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)人体臂型角ψ、手掌位置BPH、手掌姿态BRH的读取及确认体感检测设备提取提取人体上B、S、E、W、H、HT和T七个位置并上传给数据交互平台，在数据交互平台中进行如下定义和计算：将B、S、W三点确定的平面作为参考平面，将S、W、E三点确定的平面作为臂平面，计算参考平面和臂平面的夹角，记为臂型角ψ；根据B点和H点的坐标，得出手掌相对肩关节中点的位...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世平，赫向阳，李世其，付艳，甘凯，汤贤，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42