一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及主从式遥操作双边控制技术领域，公开了一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置，包括获取模块、主手控制器、通讯模块、从手控制器、信号处理模块、阵列电极系，所述阵列电极系包括N个贴在操作者手腕的电极片，N个电极片分为若干列排布，每列的电极片均自下而上等间距排布且所有列位于最下方的电极片平齐设置，其中第k列的电极片数量为Q

【技术实现步骤摘要】
一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置
本专利技术涉及主从式遥操作双边控制
，尤其涉及一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置。
技术介绍
遥操作系统在太空、深海、核辐射区域操作、远程医疗等危险区域或者人类难以到达的场合有重要的应用。双边遥操作系统实现主、从机械手力位移的协同一致同步，避免了操作中由于位置控制精度不准造成操作对象损坏或者滑落的问题。双边遥操作系统结合人类的智慧以及机器人的能力，大大提高了操作效率及作业任务。由于人工智能及机器学习还未达到和人类智慧相提并论的层次，完全自主式机器人或者机械手的操作存在一定的局限性，有人参与主从式机器人或者机械手遥操作系统具有一定的应用场景。在该系统中，主机械手将位置信号传送至从机械手作位置跟踪，同时从机械手与操作对象的作用力传送至本地主机械手作力跟踪，达到主从机械手力、位移协同一致同步的目的，使操作者在本地操作远端从机械手的同时能够感知远端从机械手的操作力。在主从式遥操作系统中，主机械手作为力反馈装置实现力反馈过程，一般包括气动、液动、电动等驱动方法，通过调节位置来调整操作者对主机械手端的力信息，达到操作者在主机械手端施加力与远端从机械手力的一种平衡相等目的。操作者作用于力反馈装置上，当触觉力信号大于标准力信号时，力反馈装置产生触觉力同方向上的形变以释放接触力信号，反之则产生触觉力反方向上的形变挤压操作者的手指以增大接触力信号。气动、液动方式由于其驱动源的携带与安装，使操作具有一定的复杂性，在操作手上佩戴力反馈装置，时间太长容易操作疲劳，减少操作中的沉浸感，降低了操作效率。而电驱动方式一般通过电机产生驱动力，存在着触觉力测量受限的问题，并且触觉力传感器价格昂贵，如果操作者施加力没有被触觉力传感器测量或者在低速运动或者静止状态，容易造成电机损坏。专利技术专利(专利号：106808461B)公开了一种磁流变力反馈式数据手套及应用其实现远程操作的方法，该数据手套的机械部分包括支架、设置在支架前方的四个四指连杆组和一个拇指连杆组、设置在支架顶部的磁流变阻尼器，角度传感器安装在四根连杆和拇指连杆组的关节测量关节角度，通过磁流变阻尼器驱动四指连杆机构构成驱动力的来源。该专利技术使操作者能够真实融入到操作过程中，具有较好的操作临场感，然而，此数据手套结构复杂，没有考虑关节摩擦，设计的数据手套中的支架与连杆结构限制了操作者的自由，由于数据手套的重量影响了沉浸感，容易产生操作疲劳的问题。
技术实现思路
为了解决力反馈装置在操作过程中控制精度不高以及操作过程中操作者容易疲劳的问题，本专利技术提供了一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置，所述遥操作系统包括从机械手，包括获取模块、主手控制器、通讯模块、从手控制器、信号处理模块、阵列电极系，所述获取模块用于获取操作者的手臂位置及姿态的三维坐标信息并以图像格式将所述三维坐标信息传输至主手控制器；所述主手控制器用于接收获取模块发送的三维坐标信息、通过所述三维坐标信息计算得出主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至通讯模块及接收由通讯模块发送的从手反馈力信息、将所述从手反馈力信息转换成N路二进制信号并发送至信号处理模块；所述通讯模块用于接收主手控制器发送的主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至从手控制器及接收从手控制器发送的从手反馈力信息、将所述从手反馈力信息发送至主手控制器；所述从手控制器用于接收通讯模块发送的主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至从机械手用作位置跟踪及采集从机械手的触觉力、将所述触觉力形成从手反馈力信息发送至通讯模块；所述信号处理模块用于接收由主手控制器发送的N路二进制信号、将N路二进制信号转换成N路电极信号、将N路电极信号发送至阵列电极系；所述阵列电极系包括N个贴在操作者手腕的电极片，N为正整数，N个电极片分为若干列排布，每列的电极片均自下而上等间距排布且所有列位于最下方的电极片平齐设置，其中第k列的电极片数量为Qk，满足如下关系：Qk＝Qk-1+1，其中k为正整数且1≤k≤N，Q1＝1，每个电极片承受相同的触觉力，每个电极片接收信号处理模块发送的其中一路电极信号并作用于操作者手腕上。优选地，所述获取模块包括标签和双目视觉摄像机，所述标签贴于操作者的大臂、小臂、拇指及食指位置，标签内含有尺寸长度、宽度、颜色信息；所述双目视觉摄像机通过拍摄贴于操作者上的标签获取操作者的手臂位置及姿态的三维坐标信息并以图像格式将所述三维坐标信息传输至主手控制器。优选地，所述主手控制器选用STM32F407ZGT6芯片，所述从手控制器选用STM32F407ZGT6芯片。优选地，所述通讯模块选用RTL8019AS芯片。优选地，所述从机械手为二指机械手，从机械手上各关节由电机驱动，各关节连接处安装有角度传感器，从机械手末端安装有触觉力传感器。优选地，操作者的主手位置信号为xm，所述从机械手的从手位置信号为xs，满足以下关系，es＝xm-xs其中，us为经从手控制器PID计算得到的控制器调节量；kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数。优选地，kp、ki、kd初始值设定kp＝ki＝kd＝0.01。优选地，所述信号处理模块包括D/A转换网络和N个信号调理单元，所述D/A转换网络用于接收主手控制器发送的N路二进制信号、将N路二进制信号转换成N路模拟电压信号、将模拟电压信号发送至信号调理单元，每个信号调理单元包括信号放大电路和信号滤波电路并接收其中一路模拟电压信号，所述信号放大电路包括差压信号放大器，信号放大电路用于对模拟电压信号进行放大，所述信号滤波电路包括RC滤波电路，信号滤波电路用于对放大后的模拟电压信号进行滤波。优选地，还包括与主手控制器连接的主电源模块和与从手控制器连接的从电源模块，所述主电源模块选用LM317芯片或TPS76950芯片或TPS76933，所述从电源模块选用TPS76950芯片或TPS76933芯片。优选地，还包括显示模块，所述显示模块选用型号为SDWe070C06的液晶屏。本专利技术中主手控制器通过双目视觉摄像机拍摄操作者姿态获取位置信息，通过通讯模块发送至从机械手作位置跟踪，同时从机械手控制器采集从机械手触觉力发送至主机械手控制器实现力信号获取，主机械手控制器将力信号通过二进制化后通过阵列电极作用于操作者手腕实现从手的触觉力感知。操作者根据触觉力大小以及从机械手姿态完成位置调整，实现了主、从遥操作双边协同一致的目的。本专利技术中可将操作者作为主机械手，从而省略了气动、液动、电动的外骨骼或者内骨骼式的主机械手结构，使操作者成为主从式遥操作系统中的一环，实现了智能人机交互，更确切的实现了对从机械手抓取环境的真实感知，具有身临其境的效果；能够直接在操作者手臂和手指端实现位置和触觉力的测量和给定，并通过阵列电极系刺激操作者手腕皮肤感知从机械手的触觉力信号及通过双目视觉摄像机辨识操作者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置，所述遥操作系统包括从机械手，其特征在于：包括获取模块、主手控制器、通讯模块、从手控制器、信号处理模块、阵列电极系，/n所述获取模块用于获取操作者的手臂位置及姿态的三维坐标信息并以图像格式将所述三维坐标信息传输至主手控制器；/n所述主手控制器用于接收获取模块发送的三维坐标信息、通过所述三维坐标信息计算得出主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至通讯模块及接收由通讯模块发送的从手反馈力信息、将所述从手反馈力信息转换成N路二进制信号并发送至信号处理模块；/n所述通讯模块用于接收主手控制器发送的主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至从手控制器及接收从手控制器发送的从手反馈力信息、将所述从手反馈力信息发送至主手控制器；/n所述从手控制器用于接收通讯模块发送的主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至从机械手用作位置跟踪及采集从机械手的触觉力、将所述触觉力形成从手反馈力信息发送至通讯模块；/n所述信号处理模块用于接收由主手控制器发送的N路二进制信号、将N路二进制信号转换成N路电极信号、将N路电极信号发送至阵列电极系；/n所述阵列电极系包括N个贴在操作者手腕的电极片，N为正整数，N个电极片分为若干列排布，每列的电极片均自下而上等间距排布且所有列位于最下方的电极片平齐设置，其中第k列的电极片数量为Q...

【技术特征摘要】
1.一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置，所述遥操作系统包括从机械手，其特征在于：包括获取模块、主手控制器、通讯模块、从手控制器、信号处理模块、阵列电极系，
所述获取模块用于获取操作者的手臂位置及姿态的三维坐标信息并以图像格式将所述三维坐标信息传输至主手控制器；
所述主手控制器用于接收获取模块发送的三维坐标信息、通过所述三维坐标信息计算得出主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至通讯模块及接收由通讯模块发送的从手反馈力信息、将所述从手反馈力信息转换成N路二进制信号并发送至信号处理模块；
所述通讯模块用于接收主手控制器发送的主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至从手控制器及接收从手控制器发送的从手反馈力信息、将所述从手反馈力信息发送至主手控制器；
所述从手控制器用于接收通讯模块发送的主手遥控力信息、将所述主手遥控力信息发送至从机械手用作位置跟踪及采集从机械手的触觉力、将所述触觉力形成从手反馈力信息发送至通讯模块；
所述信号处理模块用于接收由主手控制器发送的N路二进制信号、将N路二进制信号转换成N路电极信号、将N路电极信号发送至阵列电极系；
所述阵列电极系包括N个贴在操作者手腕的电极片，N为正整数，N个电极片分为若干列排布，每列的电极片均自下而上等间距排布且所有列位于最下方的电极片平齐设置，其中第k列的电极片数量为Qk，满足如下关系：Qk＝Qk-1+1，其中k为正整数且1≤k≤N，Q1＝1，每个电极片承受相同的触觉力，每个电极片接收信号处理模块发送的其中一路电极信号并作用于操作者手腕上。


2.根据权利要求1所述的一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置，其特征在于：所述获取模块包括标签和双目视觉摄像机，所述标签贴于操作者的大臂、小臂、拇指及食指位置，标签内含有尺寸长度、宽度、颜色信息；所述双目视觉摄像机通过拍摄贴于操作者上的标签获取操作者的手臂位置及姿态的三维坐标信息并以图像格式将所述三维坐标信息传输至主手控制器。


3.根据权利要求1所述的一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置，其特征在于：所述主手控制器选用STM32F407ZGT6芯片，所述从手控制器选用STM32...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建军，吴中华，刘群坡，王红旗，高如新，张素妍，王加朋，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41