CN110039507A - 一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的遥操作系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的力反馈遥操作系统与方法，该系统包括近端可穿戴设备、远端机器臂单元和处理控制单元。所述的近端可穿戴设备包括外骨骼数据手套和肌电手环，可同时获取手指、手腕、小臂和大臂的动作信息，所述处理控制单元包括传感器电路和上位机系统，上位机对采集到的用户动作信息进行分析处理，并将控制信号发送给远端机器臂控制器，完成相应的操作；此外，位于机械手上的力传感器可将机械手末端压力实时传送给上位机系统，再通过外骨骼数据手套微控制器控制驱动电机，带动驱动缆绳和指尖内部压片，以实现比较真实的力反馈。本发明可应用于航空、工业、医疗、教学和娱乐等领域。
Description
技术领域
本发明涉及机器人遥操作技术领域。具体地涉及一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的遥操作系统与方法的相关技术。
背景技术
遥操作控制技术由于其广泛的应用前景，一直是机器人研究领域中的一大热点。尤其在航空航天、水下和核工业这些复杂不确定或不可接近的环境中，由于现有机器人技术水 平的制约，机器人完全自主地完成各种作业任务是不现实的，往往需要操作人员必要的监控和遥操作。同时日常生活中的一些实用技术如远程医疗、远程教学、虚拟现实娱乐设施等，也需要提供特殊服务的遥操作技术。因此，处于交互控制方式下的主、从式遥操作机器人无疑是近来发展的重点。这样既可发挥机器人的自主决策能力，又能发挥人的智能和关键性决策作用，使人机智能有机交融。力反馈技术应用于遥操作领域，可使操作者感受到细腻的操纵过程，达到较好的临场感效果，从而实现更好的人机交互。
中国发明专利公开号：CN 107480697 A，名称：一种肌电手势识别方法和系统。该发明通过对MYO手环采集的肌电信号进行变换处理，反解出人的手势动作。该技术虽然可实现对操作者手势动作的跟踪，但只能实现开环遥操作控制，无法为操作者提供力反馈，交互感和临场感较差。
中国实用新型专利公开号：CN 207096930 U，名称：一种触觉反馈外骨骼用控制系统。该实用新型提供了一种外骨骼主手触觉反馈控制系统，系统能获取、跟踪手指动作信息，并通过对与外骨骼相连指尖肌腱的压感实现指尖部位的力反馈。然而外骨骼主手只限于获取手指的各关节角度信息，无法完成对手的平移、旋转等动作的跟踪，并且力反馈只限于指尖，忽略了人手指的联动性，力反馈的真实性有待提高。
发明内容
为了扩展遥操作的应用范围和交互临场感，本发明提供了一种基于外骨骼手数据手套和肌电手环的力反馈遥操作系统与方法，可应用于航空、工业、医疗、教学和娱乐等领域。
该系统由可穿戴设备、远端机器臂和处理控制单元组成。所述可穿戴设备包括仿人外骨骼数据手套和肌电手环。所述外骨骼数据手套包括手腕固定基架、手背固定基架、5个仿人手指、位置传感器和外骨骼手套微控制器。
所述手背固定基架一端通过球形铰链与除拇指外的4个仿人手指的指根部相连接，另一端通过4根长度可调节的链条与手腕固定基架相连，所述手腕固定基架通过球形铰链与拇指根部相连接。
所述手背和手腕固定基架均由弹性材料制成的绷带分别固定于佩戴者的手掌与手腕部位，实现固定功能。
所述外骨骼数据手套的除拇指外4个仿人手指均包括三段：指尖段、指中段和指根段。指尖段通过销钉铰链与指中段相连接，指中段由两部分构成，该两部分由丝杠螺母连接，实现外骨骼手套的手指部分长度可调节，指中段通过销钉铰链与指根段相连接，指根段另一端通过球形铰链与所述手背固定基架相连接。
所述外骨骼数据手套的拇指也包括三段：指尖段、指中段和指根段，与四指不同的是其指根段为曲柄连杆，用以满足拇指结构的特殊性，所述曲柄连杆末端通过球形铰链与手腕固定基架相连接。
所述5个仿人手指每段关节的销钉铰链连接处的上方均安有定滑轮，固定于指尖处的驱动绳，分别经过指中段和指根段的两个定滑轮，与安装在手背固定基架上的驱动电机相连接，外骨骼数据手套微控制器通过控制驱动电机的旋转实现驱动绳的放松与收紧，从而实现部分力反馈功能。
此外，所述5个仿人手指指尖段均为包裹型结构，其内部底端安有一个弹性压片，压片通过丝杠与驱动电机相连，从而通过驱动电机的正反转调节压片的压紧程度，给用户以较为真实的触觉反馈。
所述位置传感器包括两种，一种位于指根部位球形铰链连接处，可以满足指根部位2个自由度（弯曲/伸展、外展/内收）的测量要求。另一种位于销钉铰链连接的关节处，满足关节1个自由度的测量要求。各关节处的位置传感器不限于某种特定型号的传感器，满足待测自由度数量要求即可。
所述外骨骼手套微控制器固定于所述手腕固定基架上，实现对位置传感器数据的采集和驱动电机的控制。
所述肌电手环数量为2个，分别佩戴于操作者的大臂和小臂处，可以实现对大臂和小臂动作的实时采集，并通过蓝牙实现与上位机之间的通讯。位于大臂处的臂环可感知操作者肩关节的3个自由度，位于小臂处的手环可以感知肘关节的2个自由度，对采集的肌电信号进行分析处理还可以得到操作者手腕的动作信息，包括弯曲/伸展、外展/内收2个自由度。
所述远端机器臂，可为独立机器臂，也可为机器人的某条手臂，其末端安有仿人机械手（与近端外骨骼数据手套相匹配），机械手上附有力传感器，用于实时采集抓取过程中的压力信息。
所述处理控制单元主要包括传感器电路和上位机。所述传感器电路用于：（1）采集操作者的实时动作信息数据，并将其传输给上位机；（2）采集远端机器臂末端实时力数据，并传输给上位机。上位机处理过程包括：（1）对采集到的操作者实时动作信息数据进行处理，得出角度控制信号，并将其传输给远端机器人控制器；（2）对反馈回的机器臂末端的力进行处理，并发出控制信号给外骨骼数据手套微控制器，对各部位驱动电机进行控制，将作用力通过外骨骼手套反馈给佩戴者。
本发明的优点在于：（1）该遥操作系统可穿戴设备包括外骨骼数据手套和肌电手环，结构紧凑、穿戴方便；（2）除了手指关节角度信息的获取跟踪，还可实现对操作者整条手臂的全局动作传递，使人机交互信息更全面；（3）所设计的外骨骼数据手套包含五指驱动绳和指尖包裹压片，可对操作者整个手指进行力反馈，使反馈更为真实，增强用户的临场感。
附图说明
图1为本发明一种基于外骨骼数据手套和遥操纵杆的力反馈遥操作系统的结构示意图，图中，a1近端可穿戴设备包括外骨骼数据手套a1-1和肌电手环a1-2，a2为远端机械臂单元， a3为处理控制单元；
图2为外骨骼数据手套结构示意图，图中，b1至b5分别为外骨骼数据手套的拇指、食指、中指、无名指和小指，b6手背固定基架，b7手腕固定基架，b8手背固定基架弹性绷带，b9手腕固定基架弹性绷带，b10基架连接条，b11外骨骼是故居手套微控制器，b12绳驱动电机；
图3为外骨骼数据手套四指结构示意图，图中，c1至c3分别为四指的指尖、指中和指根部分，c4销钉铰链，c5调节丝杠，c6调节螺母，c7球形铰链，c8位置传感器，c9定滑轮，c10驱动绳，c11指尖驱动电机，c12弹性压片，c13四指弹性绷带；
图4为外骨骼数据手套拇指结构示意图，图中，d1至d3分别为拇指的指尖、指中和指根部分，d4销钉铰链，d5调节丝杠，d6调节螺母，d7球形铰链，d8位置传感器，d9定滑轮，d10驱动绳，d11指尖驱动电机，d12弹性压片，d13拇指弹性绷带；
图5为外骨骼数据手套五指的指尖结构示意图，图中，e1弹性压片，e2调节丝杠，e3驱动电机；
图6为外骨骼数据手套五指指根关节部位结构示意图，图中，f1指根部位，f2球形铰链基座，f3位置传感器，f4传感器挡板；
图7为系统的功能总图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地较为详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1和图2，本实施例公开了一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的力反馈遥操作系统，包括近端可穿戴设备a1、远端机器臂单元a2和处理控制单元a3。所述可穿戴设备a1包括外骨骼数据手套a1-1和肌电手环a1-2。
如图2所示，所述外骨骼数据手套包括手腕固定基架b7、手背固定基架b6、5个仿人手指（拇指b1、食指b2、中指b3、无名指b4、小指b5）、位置传感器和外骨骼数据手套微控制器b11。
所述手背固定基架b6一端通过球形铰链与除拇指外的4个仿人手指的指根部相连接，另一端通过4根长度可调节的链条b10与手腕固定基架b7相连，所述手腕固定基架通过球形铰链与拇指b1根部相连接。
所述手背b6和手腕固定基架b7均由弹性材料制成的绷带b8、b9分别固定于佩戴者的手掌与手腕部位，实现固定功能。
如图3所示，所述外骨骼数据手套的除拇指外4个仿人手指均包括三段：指尖段c1、指中段c2和指根段c3。指尖段c1通过销钉铰链c4与指中段c2相连接，指中段c2由两部分构成，该两部分由丝杠c5螺母连接c6，实现外骨骼手套的手指部分长度可调节，指中段c2通过销钉铰链与指根段c3相连接，指根段c3另一端通过球形铰链c7与所述手背固定基架c6相连接。
如图4所示，所述外骨骼数据手套的拇指也包括三段：指尖段d1、指中段d2和指根段d3，与四指不同的是其指根段为曲柄连杆d3，用以满足拇指结构的特殊性，所述曲柄连杆末端通过球形铰链d7与手腕固定基架b7相连接。
如图3和图4所示，所述5个仿人手指每段关节的销钉铰链连接处c4、d4的上方均安有定滑轮c9、d9，固定于指尖c1、d1处的驱动绳c10、d10，分别经过指中段c2、d2和指根段c3、d3的两个定滑轮，与安装在手背或手腕固定基架b7上的驱动电机b12相连接，外骨骼数据手套微控制器b11通过控制驱动电机的旋转实现驱动绳的放松与收紧，从而实现部分力反馈功能。
此外，如图5所示，所述5个仿人手指指尖段均为包裹型结构，其内部底端安有一个弹性压片e1，压片通过丝杠e2与驱动电机e3相连，从而通过驱动电机e3的正反转调节压片的压紧程度，给用户以较为真实的触觉反馈。
所述位置传感器包括两种，一种位于指根部f1位球形铰链连接处（如图6所示），球形铰链基座（6-2）和传感器挡板f4固定于手背或手腕固定基架b6、b7上，位置传感器f3安于传感器挡板f4上，可以满足指根部位2个自由度（弯曲/伸展、外展/内收）的测量要求。另一种位置传感器c8、d8位于销钉铰链连接的关节处，满足关节1个自由度的测量要求。
所述外骨骼手套微控制器b11固定于所述手腕固定基架上，实现对位置传感器数据的采集和驱动电机的控制。
所述肌电手环数量为2个，分别佩戴于操作者的大臂和小臂处，可以实现对大臂和小臂动作的实时采集，并通过蓝牙实现与上位机之间的通讯。位于大臂处的臂环可感知操作者肩关节的3个自由度，位于小臂处的手环可以感知肘关节的2个自由度，对采集的肌电信号进行分析处理还可以得到操作者手腕的动作信息，包括弯曲/伸展、外展/内收2个自由度。
所述远端机器臂a2，可为独立机器臂，也可为机器人的某条操作臂，其末端安有仿人机械手（与近端外骨骼数据手套相匹配），机械手上附有力传感器，用于实时采集抓取过程中的压力信息。
所述处理控制单元a3主要包括传感器电路和上位机。所述传感器电路用于：（1）采集操作者的实时动作信息数据，并将其传输给上位机；（2）采集远端机器臂a3末端实时力数据，并传输给上位
机。上位机处理过程包括：（1）对采集到的操作者实时动作信息数据进行处理，得出角度控制信号，并将其传输给远端机器人控制器；（2）对反馈回的机器臂末端的力进行处理，并发出控制信号给外骨骼数据手套微控制器，对各部位驱动电机进行控制，将作用力通过外骨骼数据手套反馈给佩戴者。
进一步地，该遥操作系统功能总图如图7所示，用户穿戴好所述外骨骼数据手套和所述肌电手环，并保证整个系统信息通讯正常，用户的手指动作信息由所述外骨骼数据手套的位置传感器获取并传送至上位机，用户的手腕、小臂及大臂动作信息由所述肌电手环获取并传送至上位机，上位机对采集到的数据进行分析综合，发出相应的控制信号给远端机器臂控制器，控制机械手和机械臂完成相应动作。另外，机械手上装有的力传感器会实时采集机械手的压迫力，作为反馈力传回给上位机系统，上位机经过运算将控制信号发送给所述外骨骼数据手套控制器，从而控制驱动电机，带动驱动缆绳和之间内部压片，实现相应大小的反馈力，从而实现实时的触觉反馈。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的力反馈遥操作系统，其特征在于，所述遥操作系统由可穿戴设备a1、远端机器臂a2和处理控制单元组成a3；可穿戴设备a1包括仿人外骨骼数据手套a1-1和肌电手环a1-2；处理控制单元a3包括上位机系统和传感器电路部分。
2.根据权利要求1所述的基于外骨骼数据手套和肌电手环的力反馈遥操作系统，其特征在于，仿人外骨骼数据手套a1-1包括手腕固定基架b7、手背固定基架b6、5个仿人手指（拇指b1、食指b2、中指b3、无名指b4、小指b5）、位置传感器和外骨骼数据手套微控制器b11。
3.根据权利要求2所述的力反馈遥操作系统，其特征在于，所述手背固定基架b6一端通过球形铰链与除拇指外的4个仿人手指的指根部相连接，另一端通过4根长度可调节的链条b10与手腕固定基架b7相连，所述手腕固定基架b7通过球形铰链与拇指b1根部相连接。
4.根据权利要求2所述的力反馈遥操作系统，其特征在于，所述手背固定基架b6和手腕固定基架b7均由弹性材料制成的绷带b8、b9分别固定于佩戴者的手掌与手腕部位，实现固定功能。
5.根据权利要求2所述的力反馈遥操作系统，其特征在于，所述仿人外骨骼数据手套a1-1的除拇指外4个仿人手指均包括三段：指尖段c1、指中段c2和指根段c3；指尖段c1通过销钉铰链c4与指中段c2相连接，指中段c2由两部分构成，该两部分由丝杠c5螺母连接c6，实现外骨骼手套的手指部分长度可调节，指中段c2通过销钉铰链与指根段c3相连接，指根段c3另一端通过球形铰链c7与所述手背固定基架b6相连接。
6.根据权利要求2所述的力反馈遥操作系统，其特征在于，所述仿人外骨骼数据手套a1-1的拇指也包括三段：指尖段d1、指中段d2和指根段d3，与四指不同的是其指根段为曲柄连杆d3，用以满足拇指结构的特殊性，所述曲柄连杆末端通过球形铰链d7与手腕固定基架b7相连接。
7.根据权利要求5或6所述的力反馈遥操作系统，其特征在于，所述5个仿人手指每段关节的销钉铰链连接处c4、d4的上方均安有定滑轮c9、d9，固定于指尖c1、d1处的驱动绳c10、d10，分别经过指中段c2、d2和指根段c3、d3的两个定滑轮，与安装在手背或手腕固定基架b7上的驱动电机b12相连接，外骨骼数据手套微控制器b11通过控制驱动电机的旋转实现驱动绳的放松与收紧，从而实现部分力反馈功能；所述5个仿人手指指尖段均为包裹型结构，其内部底端安有一个弹性压片e1，压片通过丝杠e2与驱动电机e3相连，从而通过驱动电机e3的正反转调节压片的压紧程度，给用户以较为真实的力反馈。
8.根据权利要求2所述的力反馈遥操作系统，其特征在于，所述位置传感器包括两种，一种位于指根部位f1球形铰链连接处（如附图6所示），球形铰链基座f2和传感器挡板f4固定于手背或手腕固定基架b6、b7上，位置传感器f3安于传感器挡板f4上，可以满足指根部位弯曲/伸展、外展/内收2个自由度的测量要求；另一种位置传感器c8、d8位于销钉铰链连接的关节处，满足关节1个自由度的测量要求。
9.根据权利要求1所述的力反馈遥操作系统，其特征在于，所述肌电手环数量为2个，分别佩戴于操作者的大臂和小臂处，可以实现对大臂和小臂动作的实时采集，并与上位机之间的通讯；位于大臂处的臂环可感知操作者肩关节的3个自由度，位于小臂处的手环可以感知肘关节的2个自由度，对采集的肌电信号进行分析处理还可以得到操作者手腕的动作信息，包括弯曲/伸展、外展/内收2个自由度。
10.一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的力反馈遥操作方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1. 操作者将所述2个肌电手环分别佩戴于大臂和小臂处，并穿戴好所述外骨骼数据手套；
S2. 开机初始化，检查并保证整个系统信息通讯正常；
S3. 操作者发出控制动作，通过上位机与下位机间的通讯，从端机械臂及机械手完成相应动作的跟踪。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |