CN107901057A - 一种用于操控机器人的手持人机交互设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于操控机器人的手持人机交互设备，包括手持架、姿态测量器，所述手持架内包括单片机，所述手持架外围设有标记，所述姿态测量器对标记进行测试实现位置及姿态测试；所述手持架中设有模式切换装置，所述模式切换装置与单片机电连接，所述单片机包括有IMU惯性测量单元。本发明通过借助小巧的手持式设备，在手持架上设置标记点，然后利用姿态测量器准确获取设备的6自由度空间运动，然后利用外设的机械手控制器，通过运动映射算法可以完整的对控制机器人多自由度(典型为6自由度)进行全方位控制；同时，增加IMU惯性测量单元，避免标记点的观测结果因挑面引起大的跳变，因此从安全性和准确性上，本设计都更为合理。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是机器人的人机交互的装置。
背景技术
多自由度机器人机械臂，运动灵活性好，广泛应用于工业生产制造及服务等诸多领域。介于工作环境，任务轨迹复杂性，任务场景动态性等方面的限制，机器人在很多场景下，需要借助人的远程操控来实现机器人的高效示教及灵巧作业。比如排爆，灾害现场检测，噪音及粉尘污染较大的加工作业等。
高效的人机交互设备，结合有效的交互算法，可以实现人对机器人稳定、准确、及时的高效示教和灵巧操作，具有非常实用的现实意义。
多自由度的复杂灵巧操作，因为运动维度高，并且涉及到机器人机构在操作空间上的限制，及可操作度随着机器人位型改变等问题。因此，对于现有的交互设备而言，表现出了明显的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种对机器人末端进行多自由度全方位操控的人-机交互手持设备，实现人对机器人的稳定，准确，及时的灵巧操作。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种用于操控机器人的手持人机交互设备，包括手持架、姿态测量器，所述手持架内包括单片机，所述手持架外围设有标记，所述姿态测量器对标记进行测试实现位置及姿态测试；所述手持架中设有模式切换装置，所述模式切换装置与单片机电连接，所述单片机包括有IMU惯性测量单元。
作为上述技术方案的进一步改进，所述手持架中还包括参数调节旋钮，所述参数调节旋钮与单片机电连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述模式切换装置包括有三个按钮。
作为上述技术方案的进一步改进，所述单片机中还包括充电模块与无线通讯模块。
作为上述技术方案的进一步改进，所述手持架上包括有佩戴带环。
本发明的有益效果是：本发明通过借助小巧的手持式设备，在手持架上设置标记点，然后利用姿态测量器准确获取设备的6自由度空间运动，然后利用外设的机械手控制器，通过运动映射算法可以实现典型6自由度机器人的全方位控制，功能强大，尺寸小巧；同时，增加IMU惯性测量单元，避免因标记点观测结果的跳变引起大的误操作，因此从灵活性、安全性和准确性上，本设计都更为合理。本方案，配合正确的运动映射算法，同时适用于多于6自由度(冗余机器人)及少于6自由度机器人机器臂的控制操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是本发明的设备结构示意图；
图2是本发明的人机交互实现的机器人遥操作结构示意；
图3是本发明的人机交互实现的机器人遥操作工作流程示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1，一种用于操控机器人的手持人机交互设备，包括手持架1、姿态测量器9，所述手持架1内包括单片机，所述手持架1外围设有多个标记，优选地使用光学标记点，以四个为例，分别是标记点6-1、标记点6-2、标记点6-3与标记点6-4，所述姿态测量器9对着标记点；所述手持架中设有模式切换装置，所述模式切换装置与单片机电连接，所述单片机包括有IMU惯性测量单元5。
参见图2～图3，工作的时候，操作人员首先将手持人机交互设备带上，然后姿态测量器对设备进行观察，测试得到四个光学标记点的三维坐标(p1,p2,p3,p4)；接着通过对应的算法，可以得到设备在空间的6自由度姿态(包括位置和三维方位信息，当然了，除了利用光学标记点发外，还可以借助其他方法实现的位置及姿态的测试，例如磁传感器，拉线测距，视觉测距等)；紧接着，交互设备通过单片机与外设的计算机连通，姿态测量器也与计算机连通，将姿态信息以及运动模式信息传输到计算机，计算机软件根据相应的运动学映射关系，确定机器人的目标姿态，向机器人控制器发送运动指令，最后机器人执行控制器的命令，进行运动输出。操作人员就可以根据机器人的实际运动输出，通过手持人机交互设备，对机器人进行操控(示教，操作控制等)。其中IMU的作用是，排除标记点测量结果跳变带来的干扰，使得控制更加稳定。因为IMU本身可以测量设备的自身姿态，如果借助标记点测量的姿态结果与IMU的结果差异很大，可以判断标记点出现大的扰动(比如遮挡等问题引起的跳变)。同时，通过模式切换装置，可以选择机器人不同的运动模式，实现机器人沿着特定(X,Y,Z)轴线方向的移动和转动。
进一步作为优选的实施方式，所述手持架中还包括参数调节旋钮10，所述参数调节旋钮10与单片机电连接。利用参数调节旋钮10，可以实现对从人运动到机器人运动映射参数的调节。当手臂的运动映射到机械臂上的运动出现过大或过小的时候，可以通过调节旋钮控制映射参数的大小，使得人对机器人的操控更加灵活自如。
进一步作为优选的实施方式，所述模式切换装置包括有三个按钮2、3、4，为了方便操控，三个按钮之间的位置间隔分布符合人体工程，使得人手的食指、中指与无名指可以刚好触碰到按钮2、按钮3与按钮4。参见下表，但需要对机械手臂进行特定的位置控制的时候，可以通过不同的按钮按压组合实现运动模式的切换。
例如，当操作人员只想机械臂沿着X轴方形平移的时候，他可以通过按下按钮2，此时，单片机以及外设的控制器只会识别设备X轴方向的移动，同时计算机上层应用程序会去除其他方向的干扰，保证机械臂笔直的沿着X方向平移一定的距离。
按钮不仅限定三个，而且模式切换装置除了利用按钮组合外，还可以是利用旋钮、换挡杆或其他的常用模式切换方式。
进一步作为优选的实施方式，所述单片机中还包括充电模块7与无线通讯模块8。通过充电模块以及无线通讯模块，可以支持手持设备进行远距离的控制，提高了设备的使用范围。
进一步作为优选的实施方式，所述手持架上包括有佩戴带环以及两个指环11。通过佩戴带环，可以调整人手握持的位置，提高灵活性，而利用指环11，可以使得操作人员在握持人机交互设备的时候更灵便，便于操作。借助手持设备的手臂基准位置调整模式，可以根据操作需求，随时调整人手的操控位置，即满足人在灵便的区域进行操作，减少疲劳，又增加了人手臂对机器人操控的范围。
同时通过带环，可以根据操作需求，随时调整人手的操控位置，增加了人手臂可以操控的范围。
由于目前机器人自动化的普遍兴起，本设备在人机交互方面有优等的灵活性和准确性，因此涉及到人对机器人远程操作作业的场合，都是本产品的用武之地。其适用于绝大部分的机器人示教，及遥操作。尤其有助于复杂环境，污染较重，及人难于直接参与的场景中的机器人操控作业。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种用于操控机器人的手持人机交互设备，其特征在于：包括手持架、姿态测量器，所述手持架内包括单片机，所述手持架外围设有标记，所述姿态测量器对标记进行测试实现位置及姿态测试；所述手持架中设有模式切换装置，所述模式切换装置与单片机电连接，所述单片机包括有IMU惯性测量单元。
2.根据权利要求1所述的用于操控机器人的手持人机交互设备，其特征在于：所述手持架中还包括参数调节旋钮，所述参数调节旋钮与单片机电连接。
3.根据权利要求1所述的用于操控机器人的手持人机交互设备，其特征在于：所述模式切换装置包括有三个按钮。
4.根据权利要求1所述的用于操控机器人的手持人机交互设备，其特征在于：所述单片机中还包括充电模块与无线通讯模块。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的用于操控机器人的手持人机交互设备，其特征在于：所述手持架上包括有佩戴带环。
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