CN111941423B - 一种人机交互机械抓手控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人机交互机械抓手控制系统及方法，所述系统包括：基础设备模块：包括可穿戴手套、机械抓手；所述可穿戴手套上集成应变传感器，所述机械抓手关节处集成力传感器和关节位移传感器；数据获取模块：通过应变传感器采集手套变形量；通过力传感器检测机械抓手的抓取力，通过关节位移传感器检测机械抓手夹角位移；数据处理模块：根据被抓取物体坐标确定机械抓手移动路径，通过抓取力与机械抓手夹角位移计算被抓取物体的刚度；抓手控制模块：根据手套变形量、抓取力、夹角位移、被抓取物体的刚度调节机械抓手电流输入，并构建变刚度阻抗控制方程，实现抓取控制。本发明可实现操作者人手动作与机械抓手的手爪开合之间的精确联动控制。

Description

一种人机交互机械抓手控制系统及方法

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，具体涉及一种人机交互机械抓手控制系统及方法。

背景技术

目前，对于机器人遥控操作系统，大部分的研究及其衍生的商品基本上实现关节角等信息反馈，但缺少被抓取物的刚度信息，从而导致对高刚度的物体抓取力过小，导致物体易滑落，对于低刚度物体抓取力过大，导致物体变形。为了提升遥控操作机器人抓取效率，需要实现对被抓取物体的抓取力准确调控。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种人机交互机械抓手控制系统及方法，用于解决人机交互机械抓手抓取物体时抓取力控制精度差的问题。

本发明第一方面，公开一种人机交互机械抓手控制系统，所述系统包括：

基础设备模块：包括可穿戴手套、机械抓手；所述可穿戴手套上集成穿戴手套集成应变传感器，所述机械抓手关节处集成力传感器和关节位移传感器；

数据获取模块：通过应变传感器采集操作者控制可穿戴手套时的手套变形量；机械抓手闭合时，通过力传感器检测机械抓手抓取物体所受抓取力的大小，通过关节位移传感器检测机械抓手夹角位移；

数据处理模块：根据被抓取物体坐标确定机械抓手移动路径，通过抓取力与机械抓手夹角位移计算被抓取物体的刚度；

抓手控制模块：根据手套变形量、抓取力、夹角位移、被抓取物体的刚度调节机械抓手电流输入，并构建变刚度阻抗控制方程，实现机械抓手抓取控制。

优选的，所述数据处理模块中，被抓取物体的刚度计算公式为k＝αF/Δθ，其k为被抓取物体的预估刚度，F为力传感器读数，Δθ为一定时间内抓手夹角变化角度，α为常定系数。

优选的，所述控制模块中，所述变刚度阻抗控制方程为：

u＝D₁(θ-φ)+kD₂F

其中μ为机械抓手与被抓取物体之间的摩擦系数，D₀为电流输入系数，θ为机械抓手夹角位移，

分别为机械抓手夹角位移的一阶导数和二阶导数，u为输入电流，φ为可穿戴手套变形量，D₁为位置反馈系数，D₂为力反馈系数，k为被抓取物体的预估刚度。

优选的，所述可穿戴手套上集成发热电阻丝，所述发热电阻丝安装于可穿戴手套的外侧，所述应变传感器安装于可穿戴手套内侧。

优选的，将抓取物体的预估刚度转换为电阻丝驱动电流，电阻丝驱动电流计算公式为I＝βk，其中I为电阻丝驱动电流，β为常定系数，k为被抓取物体的预估刚度。

优选的，所述机械抓手为2指抓手或3指抓手。

本发明第二方面，公开一种人机交互机械抓手控制方法，所述方法包括：

通过可穿戴手套上的应变传感器获取手套变形量；

根据被抓取物体坐标控制机械手臂移动并抓取物体，获取抓取物体所受抓取力和械抓手夹角位移；

通过抓取力与机械抓手夹角计算被抓取物体的刚度；

根据手套变形量、抓取力、夹角位移、被抓取物体的刚度调节机械抓手电流输入，并构建变刚度阻抗控制方程，实现机械抓手抓取控制。

优选的，所述变刚度阻抗控制方程为：

u＝D₁(θ-φ)+kD₂F

其中μ为机械抓手与被抓取物体之间的摩擦系数，D₀为电流输入系数，θ为机械抓手夹角位移，

分别为机械抓手夹角位移的一阶导数和二阶导数，u为输入电流，φ为可穿戴手套变形量，D₁为位置反馈系数，D₂为力反馈系数，k为被抓取物体的预估刚度。

本发明的相对于现有技术具有以下有益效果：

1)通过被抓取物体的刚度调节机械抓手力反馈，机械抓手力反馈与夹角位移反馈构成变刚度阻抗控制系统，实现被抓取物体的保护；

2)将可穿戴手套的变形量转化为对机械抓手抓取力的控制，实现操作者人手动作与机械抓手的手爪开合之间的精确联动控制；

3)可穿戴手套内集成发热电阻丝，将被抓取物体刚度映射为为手套中内嵌加热装置的热量，从而让人手感知抓取力，提升人机交互体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明的人机交互机械抓手控制系统结构示意图；

图2为本发明的可穿戴手套与机械抓手结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明公开一种人机交互机械抓手控制系统，所述系统包括：

基础设备模块：包括可穿戴手套、机械抓手；所述可穿戴手套上集成应变传感器、发热电阻丝，所述机械抓手关节处集成力传感器和关节位移传感器；如图2所示，为本发明可穿戴手套1、机械抓手2示意图，其中力传感器3、关节位移传感器6安装于机械抓手手爪处，应变传感器4安装于可穿戴手套内侧，加热电阻丝5安装于可穿戴手套的外侧。所述机械抓抓手安装在机械手臂末端，作为机械手臂的末端执行器，所述机械抓手可为2指抓手或3指抓手。可穿戴手套与所述机械抓手之间通过无线通信技术实现交互。

数据获取模块：通过应变传感器采集操作者控制可穿戴手套时的手套变形量φ；机械抓手闭合时，通过力传感器检测机械抓手抓取物体的抓取力F的大小，通过关节位移传感器检测机械抓手夹角位移θ；所述的应变传感器用来检测操作者穿戴可穿戴手套时人手的闭合程度，以手掌伸直时的变形量为0，记录手套变形量，本发明根据手套变形量来控制机械抓手手爪的关节角度。

数据处理模块：根据被抓取物体坐标确定机械手臂移动路径，通过抓取力与机械抓手夹角计算被抓取物体的刚度；

可预先通过图像识别等方式获取待抓取物体的位置坐标，根据所述待抓取物体的位置坐标规划机械手臂的运动路径，使机械抓手移动至合适的抓取位置。被抓取物体的刚度计算公式为k＝αF/Δθ，其k为被抓取物体的预估刚度，F为力传感器读数即抓取力，Δθ为一定时间内抓手夹角变化角度，α为常定系数。

抓手控制模块：根据手套变形量、抓取力、夹角位移、被抓取物体的刚度调节机械抓手电流输入，并构建变刚度阻抗控制方程，实现机械抓手抓取控制。

所述变刚度阻抗控制方程为：

u＝D₁(θ-φ)+kD₂F

其中μ为机械抓手与被抓取物体之间的摩擦系数，D₀为电流输入系数，θ为机械抓手夹角位移，

分别为机械抓手夹角位移的一阶导数和二阶导数，u为输入电流，D₁为机械抓手夹角位移反馈系数，D₂为力反馈系数，k为被抓取物体的预估刚度。

本发明通过操作者手套变形量调节抓手电流输入，从而实现机械抓手夹角位移控制，从而进行物体抓取。将可穿戴手套的变形量转化为对机械抓手抓取力的控制，实现操作者人手动作与机械抓手的手爪开合之间的精确联动控制；抓取过程中实时检测机械抓手夹角位移、抓取力，抓取力F放大k倍，系数k为被抓取物体刚度，通过被抓取物体刚度调节机械抓手力反馈，与夹角位移反馈构成变刚度阻抗控制系统，实现被抓取物体的保护。

本发明还将抓取物体的预估刚度转换为发热电阻丝驱动电流，电阻丝驱动电流计算公式为I＝βk，其中I为电阻丝驱动电流，β为常定系数，k为被抓取物体的预估刚度。通过电阻丝发热实现将物体刚度信息传递给操作者，从而让人手感知抓取力大小，操作者可以基于该信息可调节手套张角，实现抓取策略调整，提升人机交互体验。

与所述方法实施例相对应，本发明还一种人机交互机械抓手控制方法，请参阅图2，所述方法包括：

通过可穿戴手套上的应变传感器获取手套变形量；

根据被抓取物体的坐标控制机械手臂移动并抓取物体，获取抓取物体所受抓取力和械抓手夹角位移；

通过抓取力与机械抓手夹角计算被抓取物体的刚度；

根据手套变形量、抓取力、夹角位移、被抓取物体的刚度调节机械抓手电流输入，并构建变刚度阻抗控制方程，实现机械抓手抓取控制。

所述变刚度阻抗控制方程为：

u＝D₁(θ-φ)+kD₂F

其中μ为机械抓手与被抓取物体之间的摩擦系数，D₀为电流输入系数，

分别为机械抓手夹角位移的一阶导数和二阶导数，u为输入电流，D₁为位置反馈系数，D₂为力反馈系数，k为被抓取物体的预估刚度，k＝αF/Δθ，F为力传感器读数，Δθ为一定时间内抓手夹角变化角度，α为常定系数。

本发明所述方法实施例与系统实施例时相对应的，方法实施例简约部分请参阅系统实施例即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种人机交互机械抓手控制系统，其特征在于，所述系统包括：

基础设备模块：包括可穿戴手套、机械抓手；所述可穿戴手套上集成应变传感器，所述机械抓手关节处集成力传感器和关节位移传感器；

数据获取模块：通过应变传感器采集操作者控制可穿戴手套时的手套变形量；机械抓手闭合时，通过力传感器检测机械抓手抓取物体的抓取力，通过关节位移传感器检测机械抓手夹角位移；

数据处理模块：根据被抓取物体坐标确定机械抓手移动路径，通过抓取力与机械抓手夹角位移计算被抓取物体的预估刚度；

抓手控制模块：根据手套变形量、抓取力、夹角位移、被抓取物体的预估刚度调节机械抓手电流输入，并构建变刚度阻抗控制方程，实现机械抓手抓取控制。

2.根据权利要求1所述人机交互机械抓手控制系统，其特征在于，所述数据处理模块中，被抓取物体的预估刚度计算公式为k＝αF/Δθ，其k为被抓取物体的预估刚度，F为力传感器读数，Δθ为一定时间内机械抓手夹角位移的变化量，α为常定系数。

3.根据权利要求2所述人机交互机械抓手控制系统，其特征在于，所述抓手控制模块中，所述变刚度阻抗控制方程为：

u＝D₁(θ-φ)+kD₂F

其中μ为机械抓手与被抓取物体之间的摩擦系数，D₀为电流输入系数，θ为机械抓手夹角位移，

分别为机械抓手夹角位移的一阶导数和二阶导数，u为输入电流，φ为可穿戴手套变形量，D₁为位置反馈系数，D₂为力反馈系数，k为被抓取物体的预估刚度。

4.根据权利要求2所述人机交互机械抓手控制系统，其特征在于，所述可穿戴手套上集成发热电阻丝，所述发热电阻丝安装于可穿戴手套的外侧，所述应变传感器安装于可穿戴手套内侧。

5.根据权利要求4所述人机交互机械抓手控制系统，其特征在于，将抓取物体的预估刚度转换为电阻丝驱动电流，电阻丝驱动电流计算公式为I＝βk，其中I为电阻丝驱动电流，β为常定系数，k为被抓取物体的预估刚度。

6.根据权利要求1所述人机交互机械抓手控制系统，其特征在于，所述机械抓手为2指抓手或3指抓手。

7.一种人机交互机械抓手控制方法，其特征在于，所述方法包括：

通过可穿戴手套上的应变传感器获取手套变形量；

根据被抓取物体坐标控制机械手臂移动并抓取物体，获取抓取物体所受抓取力和械抓手夹角位移；

通过抓取力与机械抓手夹角位移计算被抓取物体的预估刚度；

根据手套变形量、抓取力、夹角位移、被抓取物体的预估刚度调节机械抓手电流输入，并构建变刚度阻抗控制方程，实现机械抓手抓取控制。

8.根据权利要求7所述人机交互机械抓手控制方法，其特征在于，所述变刚度阻抗控制方程为：

u＝D₁(θ-φ)+kD₂F

其中μ为机械抓手与被抓取物体之间的摩擦系数，D₀为电流输入系数，θ为机械抓手夹角位移，

分别为机械抓手夹角位移的一阶导数和二阶导数，u为输入电流，φ为可穿戴手套变形量，D₁为位置反馈系数，D₂为力反馈系数，k为被抓取物体的预估刚度，F为抓取力。

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