CN111687847B - 一种足式机器人的远程操控装置和操控交互方式 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种足式机器人的远程操控装置和操控交互方式，主控端包括操控者佩戴的VR头盔，还包括对操控者身体及肢体关节动作数据进行采集的姿态采集装置，被控端包括设于机器人处的姿态同步装置；姿态同步装置与设于机器人肢体的控制单元相连；机器人处设有摄像设备；当主控端与被控端相连以远程操控时，若头部转动，则姿态同步装置控制机器人动作以使摄像设备朝向与VR头盔同步，若姿态采集装置检测到操作者肢体关节运动，则姿态同步装置根据动作数据控制机器人的控制单元，把操控者的肢体动作映射至机器人肢体的动作上，使机器人肢体动作与操控者同步；本发明能通过VR互动方式或姿态同步技术对机器人进行远程操控，同时具备力反馈交互功能。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种足式机器人的远程操控装置和操控交互方式。
背景技术
移动机器人轮式和足式逐渐进入人类社会各个角落，按其行动模式分自主模式和手动控制模式，另外为了能让机器人和环境进行互动，在移动机器人身上加机械臂，拓展了机器人的实用功能，传统的控制方式是摇杆和手柄，操作比较麻烦，对机械臂的操控多是预先编程，缺乏实时的人机互动模式，将现场和客户端同步逼真交互控制，现场处理能力和反应速度。视觉固定，视觉范围有限，并且也是在视线距离内操控，不易更好地满足机器人和人类之间的互动控制。
发明内容
本发明提出一种足式机器人的远程操控装置和操控交互方式，能通过VR互动方式或姿态同步技术对机器人进行远程操控，同时具备力反馈交互功能。
本发明采用以下技术方案。
一种足式机器人的远程操控装置，所述远程操控装置的主控端包括操控者佩戴的VR头盔，还包括对操控者身体及肢体关节动作数据进行采集的可穿戴设备形态的姿态采集装置，远程操控装置的被控端包括设于机器人处的姿态同步装置；所述姿态同步装置与设于机器人肢体的各关节位处的控制单元相连；所述机器人的肢体或躯干部设有摄像设备；当主控端与被控端相连以远程操控时，若操控者头部转动，则姿态同步装置根据操控者头部动作控制机器人的控制单元来调节摄像设备朝向，使摄像设备的视野切换方向与VR头盔同步，若姿态采集装置检测到操作者肢体关节产生运动，则姿态同步装置根据操控者关节动作数据控制机器人的控制单元，把操控者的肢体动作映射至机器人肢体的动作上，使机器人肢体动作与操控者同步。
所述主控端包括CPU单元和无线传输单元；所述机器人内置有控制处理器、供电模块和无线装置；机器人肢体包括包括机械腿和机械臂；当进行远程操控时，所述主控端以无线方式与被控端相连以进行数据收发，获取机器人的摄像设备拍摄影像用于VR头盔处显示。
所述机器人内置有可控制机器人按预设路线移动的GPS控制模块，还设有与摄像设备相连的机器视觉模块；所述控制处理器经机器视觉模块来控制机器人在移动时自动避障。
所述机器人为机械狗形态的四足机器人；机器狗形态的脖部为一可伸展的机械臂；机器狗形态的头部为机械臂末端的嘴形机械手；
所述摄像设备包括设于机器人躯干前部的机体第一摄像设备、机体第二摄像设备，还包括设于嘴形机械手处的头部摄像设备；
所述机械臂以臂第一关节电机（M1）、臂第二关节电机（M2）、臂第三关节电机（M3）、臂第四关节电机（M4）、臂第五关节电机（M5）、臂第六关节电机（M6）形成具备抓取控制和六自由度摆动控制的臂控制单元；所述控制处理器对臂控制单元控制，可使机械手处的头部摄像设备朝向所需位置，也可使机械手运动至目标位置执行物品抓取动作或物品释放动作；
每条机械腿均以腿第一关节电机（1）、腿第二关节电机（2）和腿第三关节电机（3）形成腿控制单元；所述控制处理器控制四条机械腿的腿控制单元以使四足机器人完成所需行走动作；所述行走动作包括奔跑、跳跃、转弯和攀爬。
所述主控端的姿态采集装置包括机械角度传感器、关节角度传感器和姿态传感器；
所述机械角度传感器包括设于操控者一手臂手腕关节处的第一机械角度传感器AS1、手部虎口关节处的第二机械角度传感器AS2、肘部关节处的第三机械角度传感器AS3，以及该手臂其它部位的第四机械角度传感器AS4、第五机械角度传感器AS5、第六机械角度传感器AS6；
所述关节角度传感器包括设于操控者头部处的第一关节角度传感器S1、设于操控者肩部处的第二关节角度传感器S2、设于操控者另一手臂处的第三关节角度传感器S3、设于操控者两膝关节处的第四关节角度传感器S4和第五关节角度传感器S5、设于操控者两脚踝关节处的第六关节角度传感器S6和第七关节角度传感器S7；
所述姿态传感器包括设于操控者手、手臂和躯干处的第一姿态传感器IMU1、第二姿态传感器IMU2、第三姿态传感器IMU3、第四姿态传感器IMU4、第五姿态传感器IMU5；
所述主控端的姿态采集装置与主控端的CPU单元、无线传输单元相连。
所述姿态传感器还包括设于操控者手部对操控者手部握力进行测量的握力传感器；当主控端进行握持动作的远程操控时，所述嘴形机械手以颚部咬合动作抓持物品，所述嘴形机械手的颚部咬合动作与操控者手部的握持动作同步，咬合力与操控者手部的握力同步；
所述嘴形机械手内以网格阵列分布的触觉传感器组成触觉阵列；所述触觉传感器包括压力传感器、震动传感器和滑动检测传感器，当嘴形机械手抓持物品时，所述触觉阵列采集机械手在物品接触面处的受力数据，并将该受力数据转换为触觉数据；
所述机械臂的关节处设有受力检测传感器；所述主控端包括设于操控者手部和臂部，可对操控者手部或臂部施力的的力回馈装置；当主控端对被控端进行控制时，所述力回馈装置按触觉阵列提供的触觉数据对操控者手部施力来模拟抓持触觉，以使操控者感知到机械手对物品的抓持动作对物品的影响及物品实际受到的机械力；力回馈装置还参照机械臂关节处的受力检测传感器提供的机械臂关节受力数据，来对操控者臂部施力以使操控者感受机械臂工作承力。
所述操控交互方式使用以上所述的远程操控装置，所述交互方法包括以下方式；
方式A1、以操控者手臂动作来调整VR头盔视野：当主控端对被控端进行远程操控时，若操控者手臂有动作，则姿态采集装置采集的操控者手臂姿态数据经无线传输单元送至被控端，使机器人机械臂的动作与操控者手臂动作同步，同时使头部摄像设备朝向机械臂末端所指的采集目标采集影像，并把采集的影像以无线方式回传至主控端的VR头盔，使操控者的VR头盔视野与机器人的头部摄像设备同步；
方式A2、以操作者的移动使机器人同步移动：当主控端对被控端进行远程操控时，若操控者移动，则姿态采集装置采集的操控者姿态数据和移动动作数据经无线传输单元送至被控端，使机器人机械腿驱动机器人运动，且把操控者的肢体动作映射至机器人肢体的动作上，使机器人的运动动作与操控者移动动作同步；该动作同步包括以下方式，当操控者往前走，则机器人也往前走，当操控者向后退，则机器人也向后退，当操控者在行走时停下，则机器人也在行走中停下，当操控者转身，则机器人也转身；
方式A3、通过机器人机械臂与指定目标实现声音交流：此方式中，机器人的嘴形机械手处装有麦克风和扬声器，操控者以手臂动作来同步控制机械臂，使嘴形机械手靠近指定目标，将指定目标的现场声音采集传给远端操控者并在VR头盔播放，远端操控者也可以通过VR头盔，以无线方式将操控端声音传输到机器人的嘴形机械手，在指定目标处播放。
操控者同时通过方式A1和方式A2，以手臂动作和身体移动，来使远程端的机器人行动的变化和嘴部视野朝向的变化与使用者动作同步，来加强操控者在远程操控时的现场感。
在方式A2中，当机器人在移动时以机器视觉模块感知移动方向上有障碍物，则机器人的控制处理器执行避碍动作以避开障碍物，并在执行避碍动作时屏蔽主控端针对机器人动作的控制指令。
操控者通过控制自身手部的握持动作，来控制机器人的嘴形机械手颚部咬合动作的幅度，来调节机械手抓持物品的力量，即操控者通过力回馈装置模拟的抓持触觉和设于嘴形机械手处的头部摄像设备回传的物品影像，来具体感知机械手握持动作对物品的影响及物品实际受到的机械力，并以此控制操控者手部握持动作，以防止物品因机械手抓持力量太小而移动滑落，或是防止物品因机械手抓持力量过大而变形损坏。
本发明具备以下优点：
1、实现了操控端的视觉控制，即操控者转动头部的时候，远端机器人身子或者头部跟着人转动，使操控者通过VR头盔或显示屏实现了获得非固定视野的实时现场图像获取方式，这种远端与操控端视觉拾取方式，可采用VR的方式让人和远端四足机器人看到的事实同步。
2、在本发明中，机器人机身的移动可以采用远端手柄或者方向盘方式，也可以操控者穿戴的姿态设备采集操作者的步长、行走状态以及操作者身体运动状态，经过无线方式来控制机器人，让机器狗形态的机器人的动作能和人同步，比如同步转弯、同步奔跑或同步后退等。
3、操作者可通过将自身手臂端的运动，通过无线网络，把手臂动作映射到机器人机械臂，实时操作机械臂，更为灵活，也更有现场感。
4、操作者将手的抓握映射成嘴形机械手的机械嘴部张合的控制方式，且远端机械嘴端具备触觉探测功能，能及时地以力反馈向远端操作者提供指端触感的接触力交互方式。
5、本发明的机械臂操控方式，能将机械手抓持物品的指端压力，直观地发送到远端操控者处，使操控者以力反馈方式直观地感知到机械嘴对物品的实际咬合力度，能让操控者更加精细地对机械嘴的咬合力量进行控制。
6、本发明能以操控端的人体关节形态，来同步机器人机械臂的各关节角度，同时实现力反馈到操控端关节（例如手部虎口关节），是较为精细的人机交互方式。
7、本发明能通过VR头盔操纵机械臂贴近目标，来实现远程听觉语音交互功能，能更为准确地贴近目标来采集声音或是进行声音交互。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明中主控端的示意图；
附图2是本发明所述的四足机器人的示意图；
附图3是本发明所述的四足机器人的侧面示意图；
附图4是本发明所述的四足机器人的后向示意图；
附图5是操控者手臂关节动作与机器人机械臂关节动作的映射示意图；
附图6是主控端的姿态采集装置、力回馈装置在操控者手臂部位的设置示意图；
附图7是嘴形机械手的示意图；
附图8是机械臂的示意图；
附图9是主控端的部分原理示意图；
附图10是被控端的部分原理示意图；
图中：1-腿第一关节电机；2-腿第二关节电机；3-腿第三关节电机
10-机械腿；11-外转子电机；12-曲柄；13-连杆铰接位；14-铰接轴；15-外转子电机；
20-机械臂；30-机械手；40-控制单元；51-压力传感器；52-震动传感器；53-滑动检测传感器；54-触觉阵列；55-麦克风；56-扬声器；
100-VR头盔；200-手柄；300-姿态采集装置；400-显示屏；500-CPU单元；600-无线传输单元；
AS1-第一机械角度传感器；AS2-第二机械角度传感器；AS3-第三机械角度传感器；AS4-第四机械角度传感器；AS5-第五机械角度传感器；AS6-第六机械角度传感器；
FS1-力回馈装置；
IMU1-第一姿态传感器；IMU2-第二姿态传感器；IMU3-第三姿态传感器；IMU4-第四姿态传感器；IMU5-第五姿态传感器；
M1-臂第一关节电机；M2-臂第二关节电机；M3-臂第三关节电机；M4-臂第四关节电机；M5-臂第五关节电机；M6-臂第六关节电机；
S1-第一关节角度传感器；S2-第二关节角度传感器；S3-第三关节角度传感器；S4-第四关节角度传感器；S5-第五关节角度传感器；S6-第六关节角度传感器；S7-第七关节角度传感器；S10-机体第一摄像设备；S20-机体第二摄像设备；S30-头部摄像设备。
具体实施方式
如图1-7所示，一种足式机器人的远程操控装置，所述远程操控装置的主控端包括操控者佩戴的VR头盔100，还包括对操控者身体及肢体关节动作数据进行采集的可穿戴设备形态的姿态采集装置300，远程操控装置的被控端包括设于机器人处的姿态同步装置；所述姿态同步装置与设于机器人肢体的各关节位处的控制单元40相连；所述机器人的肢体或躯干部设有摄像设备；当主控端与被控端相连以远程操控时，若操控者头部转动，则姿态同步装置根据操控者头部动作控制机器人的控制单元来调节摄像设备朝向，使摄像设备的视野切换方向与VR头盔同步，若姿态采集装置检测到操作者肢体关节产生运动，则姿态同步装置根据操控者关节动作数据控制机器人的控制单元，把操控者的肢体动作映射至机器人肢体的动作上，使机器人肢体动作与操控者同步。
所述主控端包括CPU单元500和无线传输单元600；所述机器人内置有控制处理器、供电模块和无线装置；机器人肢体包括包括机械腿10和机械臂20；当进行远程操控时，所述主控端以无线方式与被控端相连以进行数据收发，获取机器人的摄像设备拍摄影像用于VR头盔处显示。
所述机器人内置有可控制机器人按预设路线移动的GPS控制模块，还设有与摄像设备相连的机器视觉模块；所述控制处理器经机器视觉模块来控制机器人在移动时自动避障。
所述机器人为机械狗形态的四足机器人；机器狗形态的脖部为一可伸展的机械臂；机器狗形态的头部为机械臂末端的嘴形机械手30；
所述摄像设备包括设于机器人躯干前部的机体第一摄像设备S10、机体第二摄像设备S20，还包括设于嘴形机械手处的头部摄像设备S30；
所述机械臂以臂第一关节电机M1、臂第二关节电机M2、臂第三关节电机M3、臂第四关节电机M4、臂第五关节电机M5、臂第六关节电机M6形成具备抓取控制和六自由度摆动控制的臂控制单元；所述控制处理器对臂控制单元控制，可使机械手处的头部摄像设备朝向所需位置，也可使机械手运动至目标位置执行物品抓取动作或物品释放动作；
每条机械腿均以腿第一关节电机1、腿第二关节电机2和腿第三关节电机3形成腿控制单元；所述控制处理器控制四条机械腿的腿控制单元以使四足机器人完成所需行走动作；所述行走动作包括奔跑、跳跃、转弯和攀爬。
所述主控端的姿态采集装置包括机械角度传感器、关节角度传感器和姿态传感器；
所述机械角度传感器包括设于操控者一手臂手腕关节处的第一机械角度传感器AS1、手部虎口关节处的第二机械角度传感器AS2、肘部关节处的第三机械角度传感器AS3，以及该手臂其它部位的第四机械角度传感器AS4、第五机械角度传感器AS5、第六机械角度传感器AS6；
所述关节角度传感器包括设于操控者头部处的第一关节角度传感器S1、设于操控者肩部处的第二关节角度传感器S2、设于操控者另一手臂处的第三关节角度传感器S3、设于操控者两膝关节处的第四关节角度传感器S4和第五关节角度传感器S5、设于操控者两脚踝关节处的第六关节角度传感器S6和第七关节角度传感器S7；
所述姿态传感器包括设于操控者手、手臂和躯干处的第一姿态传感器IMU1、第二姿态传感器IMU2、第三姿态传感器IMU3、第四姿态传感器IMU4、第五姿态传感器IMU5；
所述主控端的姿态采集装置与主控端的CPU单元、无线传输单元相连。
所述姿态传感器还包括设于操控者手部对操控者手部握力进行测量的握力传感器；当主控端进行握持动作的远程操控时，所述嘴形机械手以颚部咬合动作抓持物品，所述嘴形机械手的颚部咬合动作与操控者手部的握持动作同步，咬合力与操控者手部的握力同步；
所述嘴形机械手内以网格阵列分布的触觉传感器组成触觉阵列54；所述触觉传感器包括压力传感器51、震动传感器52和滑动检测传感器53，当嘴形机械手抓持物品时，所述触觉阵列采集机械手在物品接触面处的受力数据，并将该受力数据转换为触觉数据；
所述机械臂的关节处设有受力检测传感器；所述主控端包括设于操控者手部和臂部，可对操控者手部或臂部施力的的力回馈装置；当主控端对被控端进行控制时，所述力回馈装置按触觉阵列提供的触觉数据对操控者手部施力来模拟抓持触觉，以使操控者感知到机械手对物品的抓持动作对物品的影响及物品实际受到的机械力；力回馈装置还参照机械臂关节处的受力检测传感器提供的机械臂关节受力数据，来对操控者臂部施力以使操控者感受机械臂工作承力。
所述操控交互方式使用以上所述的远程操控装置，所述交互方法包括以下方式；
方式A1、以操控者手臂动作来调整VR头盔视野：当主控端对被控端进行远程操控时，若操控者手臂有动作，则姿态采集装置采集的操控者手臂姿态数据经无线传输单元送至被控端，使机器人机械臂的动作与操控者手臂动作同步，同时使头部摄像设备朝向机械臂末端所指的采集目标采集影像，并把采集的影像以无线方式回传至主控端的VR头盔，使操控者的VR头盔视野与机器人的头部摄像设备同步；
方式A2、以操作者的移动使机器人同步移动：当主控端对被控端进行远程操控时，若操控者移动，则姿态采集装置采集的操控者姿态数据和移动动作数据经无线传输单元送至被控端，使机器人机械腿驱动机器人运动，且把操控者的肢体动作映射至机器人肢体的动作上，使机器人的运动动作与操控者移动动作同步；该动作同步包括以下方式，当操控者往前走，则机器人也往前走，当操控者向后退，则机器人也向后退，当操控者在行走时停下，则机器人也在行走中停下，当操控者转身，则机器人也转身；
方式A3、通过机器人机械臂与指定目标实现声音交流：此方式中，机器人的嘴形机械手处装有麦克风55和扬声器56，操控者以手臂动作来同步控制机械臂，使嘴形机械手靠近指定目标，将指定目标的现场声音采集传给远端操控者并在VR头盔播放，远端操控者也可以通过VR头盔，以无线方式将操控端声音传输到机器人的嘴形机械手，在指定目标处播放。
操控者同时通过方式A1和方式A2，以手臂动作和身体移动，来使远程端的机器人行动的变化和嘴部视野朝向的变化与使用者动作同步，来加强操控者在远程操控时的现场感。
在方式A2中，当机器人在移动时以机器视觉模块感知移动方向上有障碍物，则机器人的控制处理器执行避碍动作以避开障碍物，并在执行避碍动作时屏蔽主控端针对机器人动作的控制指令。
操控者通过控制自身手部的握持动作，来控制机器人的嘴形机械手颚部咬合动作的幅度，来调节机械手抓持物品的力量，即操控者通过力回馈装置模拟的抓持触觉和设于嘴形机械手处的头部摄像设备回传的物品影像，来具体感知机械手握持动作对物品的影响及物品实际受到的机械力，并以此控制操控者手部握持动作，以防止物品因机械手抓持力量太小而移动滑落，或是防止物品因机械手抓持力量过大而变形损坏。
实施例1：
本例中，主控端还可以使用手柄200来操控机器人，通过显示屏400来查看机器人处的摄像设备的画面。
实施例2：
如图5所示，操控人员手部及手臂关节的运动，可映射至机器人机械臂关节的控制单元处，使机械臂关节形成相应的同步运动。
具体为手部虎口的握持动作A6映射为机器人嘴形机械手的夹持动作A6；
手部相对于前臂的俯仰动作A5映射为机器人嘴形机械手的俯仰动作A5；
手部在腕部的旋转动作A4映射为机器人嘴形机械手的旋转动作A4；
前臂相对于后臂的开合动作A3映射为机器人机械臂前段相对机械臂后段的开合动作A3；
操作人员手臂相对肩部的旋转动作A2映射为机械臂相对机器人水平躯干的旋转动作A2；
操作人员手臂的抬起放下动作A1映射为机械臂相对机器人水平躯干的折叠展开动作A1。
实施例3：
当机械臂通过在远端VR头盔的同步控制，接近物体时候，以机械手嘴颚部咬合动作，可以精确抓取目标物体，在抓取目标物体的时候，机械嘴部和物件之间的抓握力度，和接触情况对操作的准确直观重要，比如抓取一个西红柿和抓取一个土豆，所允许的力度具有较大差别。另外在抓取物体后，机械嘴部和物件之间的接触情况除了压力信息外，还应具有摩擦，相对力度矢量等接触信息。
本例中，机械嘴（嘴形机械手）内部的传感器阵列组成网格传感器阵列（触觉阵列）。
阵列内部包含了压力 滑动 检测 等触觉传感器。因为是网格阵列分布，抓握物体各部分的接触情况可以综合反馈到操纵端，网格传感器阵列除了可以反映出在抓握物品时，嘴形机械手各部分承受的压力情况，各部分物理位置的压力矢量变化，也可以综合出物体是否有滑动，例如当物体抓握紧的时候，各阵列矢量压力传感器压力稳定，当物体没有抓握紧，那么物体将会产生滑动，也即物体在嘴内的滑动，将造成内部压力阵列的各点压力也产生同滑动方向一样的变化，这样就可以作为滑动判定依据。
除了可以用压力阵列产生的滑动检测外，也可以采用光电检测被操作接触物与机械嘴之间的位置物理信息变化。采集到嘴部的压力变化和接触信息变化，此信息将经过机器狗身子内部的无线网络装置传递到远端操控者手上。
当以上得到的压力和接触信息反馈到操作者手部的时候，穿载于操控人员手臂和手部处的震动传感器阵列（力回馈装置），能将前面介绍机械嘴内部的接触状况，通过受控频率及受控幅度的震动、转动、滑动或者压力等表达形式作用在操作者的手指或者手掌内部，力回馈装置这部分功能具体可采用传统电能转动能设备如微型电机、电磁线圈实现，来实现把机械手对远端物体的抓握状态及时的反馈到操作者的手中，并且直观的以可控电磁动力，让操作者手掌和手指得到和机械嘴内部相对应的触觉信息，至此，主控端（远程操纵端）就把机械嘴内部的触觉信息，及时精确并且直观的反馈到客户手部生理触觉，让操作者具有身临其境的操作感和准确度。
综上所述结合附图可以看出，当操控者手部张开，机械嘴张开，当操作者手指部延A6方向闭合，机械嘴部也闭合，当机械嘴部跟随闭合后，指端之间势必具有压力，触觉阵列可以得到指端压力信息，主控端可以把此压力信息作为控制信息传递给远端机械嘴部，转换成嘴部的咬合力，这样对机械嘴部的咬合压力控制更直观和迅速。
为进一步方便控制。在主控端操控人员手臂穿载的各关节角检测位置放置力反馈装置，如电机系统，让机器狗端机械臂各关节实际受力，能及时反映在操作者各关节处，这样操作者将能感受到机器狗上机械臂各关节处的实际受力情况，以便于动作决策。
实施例4：
机器人为有机身的四足移动平台，四足机器人每条腿由三个关节组中，四足可完成仿生四足动物的正常行走状态，如蹲下，站立，前进后退，跳跃，上下台阶，攀爬等动作，相对于轮式，能更好的适应地球上各种地形，和人类社会的环境。具备足够长的续航时间和机动性能。
机器人内置的处理器，可控制机器人本体适应各种路面状态，以及接受人类的编程控制，可单独和集群的本地或者远地接受人类操控。
为了能做更多的事情，在这个通用的四足机器人平台上可加载机械臂，从而能更灵活的去拾取或者操作一些工具。拓展应用场景。
在本机器人内部装有电池、主控CPU、无线通讯设备，主控CPU也可以控制机械臂部分，在机械臂部分，主要由6自由度关节完成，为了降低成本和便于生产，本机械臂关节和腿部结构一样，采用外转子电机15加行星减速机方案，电机驱动器采用力控和位置控制的混合控制方法，为降低末端重量，尽量把质量限制在机械臂底部，这样可以降低机械臂的重心和重量，从而在同等扭矩和能量消耗下，可以抓取更重的物件，不易使机器人翻倒。
为了能在正常行走过程中，对路面的视野更开阔，在机械臂末端的嘴形机械手处加装可180度自由转动摄像头，随着机械臂上的头部转动，可以确保机器人在静态和行走过程中，机身不动的情况，只晃动头部，也可获得更宽阔的视野。另外机械臂可以根据自身的位置和目标的位置，由机器人本身搭载的CPU部分来自主控制，全自动准确抓取物体和操作设备。
本发明中，机械臂部分因为采用单级行星结构，可以实现重量和价格以及扭矩方面的平衡，这与传统机械臂的谐波减速机是不同的。
实施例5：
操控人员通过主控端，经无线网络来控制被控端的机器人，操作人员可以扭动身子使机器人也同步扭动，将机体第一摄像设备S10、机体第二摄像设备S20的视野随机器人躯干部的扭动而变化，从而进行实时观测，也可以身子不动，转动机械臂，由设于嘴形机械手处的头部摄像设备S30来监控360度全视野环境信息。
各摄像设备的视野范围可以接受操作端的手柄摇杆指令来进行调整，也可以更直观的由戴在操纵人头部的姿态传感器，例如VR头盔上的IMU获取操控者的头部转动动作及俯仰动作，以此操控机械臂头部的转动俯仰，从来达到远程机器狗视觉和操控者头部视觉的同步，即图像视野受操纵者实时控制，比摇杆更迅速直观和精确。
在远程操控时，操控者的人体关节信息，经过操控者穿载的关节角度传感器，如以S1-S7组成的各个关节角度传感器，完成人体姿态搜集，从来用操控者的姿态和动作，控制远程机械狗（机械狗形态的四足机器人）；比如当操控者停止运动，远程机械狗也停止运动，操控者往前走，机器狗也往前走，操控者往后退，机器狗也往后退，操控者左顺时针转身，机器狗也顺时针转身等同步动作，这样操控者头部和身子上的传感器，支持将远端机器狗视野和动作随时和操控者同步，操控者也更有现场感觉，能让操控者的操控行为更简单精确。
Claims (9)
1.一种足式机器人的远程操控装置，其特征在于：所述远程操控装置的主控端包括操控者佩戴的VR头盔，还包括对操控者身体及肢体关节动作数据进行采集的可穿戴设备形态的姿态采集装置，远程操控装置的被控端包括设于机器人处的姿态同步装置；所述姿态同步装置与设于机器人肢体的各关节位处的控制单元相连；所述机器人的肢体或躯干部设有摄像设备；当主控端与被控端相连以远程操控时，若操控者头部转动，则姿态同步装置根据操控者头部动作控制机器人的控制单元来调节摄像设备朝向，使摄像设备的视野切换方向与VR头盔同步，若姿态采集装置检测到操作者肢体关节产生运动，则姿态同步装置根据操控者关节动作数据控制机器人的控制单元，把操控者的肢体动作映射至机器人肢体的动作上，使机器人肢体动作与操控者同步；所述机器人为机械狗形态的四足机器人；机器狗形态的脖部为一可伸展的机械臂；机器狗形态的头部为机械臂末端的嘴形机械手；所述摄像设备包括设于机器人躯干前部的机体第一摄像设备、机体第二摄像设备，还包括设于嘴形机械手处的头部摄像设备；所述机械臂以臂第一关节电机(M1)、臂第二关节电机(M2)、臂第三关节电机(M3)、臂第四关节电机(M4)、臂第五关节电机(M5)、臂第六关节电机(M6)形成具备抓取控制和六自由度摆动控制的臂控制单元；所述控制处理器对臂控制单元控制，可使机械手处的头部摄像设备朝向所需位置，也可使机械手运动至目标位置执行物品抓取动作或物品释放动作；每条机械腿均以腿第一关节电机(1)、腿第二关节电机(2)和腿第三关节电机(3)形成腿控制单元；所述控制处理器控制四条机械腿的腿控制单元以使四足机器人完成所需行走动作；所述行走动作包括奔跑、跳跃、转弯和攀爬。
2.根据权利要求1所述的一种足式机器人的远程操控装置，其特征在于：所述主控端包括CPU单元和无线传输单元；所述机器人内置有控制处理器、供电模块和无线装置；机器人肢体包括包括机械腿和机械臂；当进行远程操控时，所述主控端以无线方式与被控端相连以进行数据收发，获取机器人的摄像设备拍摄影像用于VR头盔处显示。
3.根据权利要求2所述的一种足式机器人的远程操控装置，其特征在于：所述机器人内置有可控制机器人按预设路线移动的GPS控制模块，还设有与摄像设备相连的机器视觉模块；所述控制处理器经机器视觉模块来控制机器人在移动时自动避障。
4.根据权利要求1所述的一种足式机器人的远程操控装置，其特征在于：所述主控端的姿态采集装置包括机械角度传感器、关节角度传感器和姿态传感器；所述机械角度传感器包括设于操控者一手臂手腕关节处的第一机械角度传感器AS1、手部虎口关节处的第二机械角度传感器AS2、肘部关节处的第三机械角度传感器AS3，以及该手臂其它部位的第四机械角度传感器AS4、第五机械角度传感器AS5、第六机械角度传感器AS6；所述关节角度传感器包括设于操控者头部处的第一关节角度传感器S1、设于操控者肩部处的第二关节角度传感器S2、设于操控者另一手臂处的第三关节角度传感器S3、设于操控者两膝关节处的第四关节角度传感器S4和第五关节角度传感器S5、设于操控者两脚踝关节处的第六关节角度传感器S6和第七关节角度传感器S7；所述姿态传感器包括设于操控者手、手臂和躯干处的第一姿态传感器IMU1、第二姿态传感器IMU2、第三姿态传感器IMU3、第四姿态传感器IMU4、第五姿态传感器IMU5；所述主控端的姿态采集装置与主控端的CPU单元、无线传输单元相连。
5.根据权利要求4所述的一种足式机器人的远程操控装置，其特征在于：所述姿态传感器还包括设于操控者手部对操控者手部握力进行测量的握力传感器；当主控端进行握持动作的远程操控时，所述嘴形机械手以颚部咬合动作抓持物品，所述嘴形机械手的颚部咬合动作与操控者手部的握持动作同步，咬合力与操控者手部的握力同步；所述嘴形机械手内以网格阵列分布的触觉传感器组成触觉阵列；所述触觉传感器包括压力传感器、震动传感器和滑动检测传感器，当嘴形机械手抓持物品时，所述触觉阵列采集机械手在物品接触面处的受力数据，并将该受力数据转换为触觉数据；所述机械臂的关节处设有受力检测传感器；所述主控端包括设于操控者手部和臂部，可对操控者手部或臂部施力的的力回馈装置；当主控端对被控端进行控制时，所述力回馈装置按触觉阵列提供的触觉数据对操控者手部施力来模拟抓持触觉，以使操控者感知到机械手对物品的抓持动作对物品的影响及物品实际受到的机械力；力回馈装置还参照机械臂关节处的受力检测传感器提供的机械臂关节受力数据，来对操控者臂部施力以使操控者感受机械臂工作承力。
6.一种足式机器人的操控交互方式，其特征在于：所述操控交互方式使用权利要求5中所述的远程操控装置，所述操控交互方式包括以下方式；方式A1、以操控者手臂动作来调整VR头盔视野：当主控端对被控端进行远程操控时，若操控者手臂有动作，则姿态采集装置采集的操控者手臂姿态数据经无线传输单元送至被控端，使机器人机械臂的动作与操控者手臂动作同步，同时使头部摄像设备朝向机械臂末端所指的采集目标采集影像，并把采集的影像以无线方式回传至主控端的VR头盔，使操控者的VR头盔视野与机器人的头部摄像设备同步；方式A2、以操作者的移动使机器人同步移动：当主控端对被控端进行远程操控时，若操控者移动，则姿态采集装置采集的操控者姿态数据和移动动作数据经无线传输单元送至被控端，使机器人机械腿驱动机器人运动，且把操控者的肢体动作映射至机器人肢体的动作上，使机器人的运动动作与操控者移动动作同步；该动作同步包括以下方式，当操控者往前走，则机器人也往前走，当操控者向后退，则机器人也向后退，当操控者在行走时停下，则机器人也在行走中停下，当操控者转身，则机器人也转身；方式A3、通过机器人机械臂与指定目标实现声音交流：此方式中，机器人的嘴形机械手处装有麦克风和扬声器，操控者以手臂动作来同步控制机械臂，使嘴形机械手靠近指定目标，将指定目标的现场声音采集传给远端操控者并在VR头盔播放，远端操控者也可以通过VR头盔，以无线方式将操控端声音传输到机器人的嘴形机械手，在指定目标处播放。
7.根据权利要求6所述的一种足式机器人的操控交互方式，其特征在于：操控者同时通过方式A1和方式A2，以手臂动作和身体移动，来使远程端的机器人行动的变化和嘴部视野朝向的变化与使用者动作同步，来加强操控者在远程操控时的现场感。
8.根据权利要求6所述的一种足式机器人的操控交互方式，其特征在于：在方式A2中，当机器人在移动时以机器视觉模块感知移动方向上有障碍物，则机器人的控制处理器执行避碍动作以避开障碍物，并在执行避碍动作时屏蔽主控端针对机器人动作的控制指令。
9.根据权利要求6所述的一种足式机器人的操控交互方式，其特征在于：操控者通过控制自身手部的握持动作，来控制机器人的嘴形机械手颚部咬合动作的幅度，来调节机械手抓持物品的力量，即操控者通过力回馈装置模拟的抓持触觉和设于嘴形机械手处的头部摄像设备回传的物品影像，来具体感知机械手握持动作对物品的影响及物品实际受到的机械力，并以此控制操控者手部握持动作，以防止物品因机械手抓持力量太小而移动滑落，或是防止物品因机械手抓持力量过大而变形损坏。
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