CN112223242A - 一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明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_k，满足如下关系：Q_k＝Q_k‑1+1，其中1≤k≤N，Q₁＝1。本发明实现了操作者的力觉感知以及对从机械手的位置信息跟踪，从而实现主从机械手力、位置协同一致的目的，避免了操作者在本地操作过程中对远端操作对象的损坏。

Description

一种基于皮肤刺激的用于遥操作系统的力反馈装置

技术领域

本发明涉及主从式遥操作双边控制技术领域，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。

背景技术

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。

发明专利(专利号：106808461 B)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。该发明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。

发明内容

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，本发明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，本发明采用如下技术方案：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Q_k，满足如下关系：Q_k＝Q_k-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x_m，所述从机械手的从手位置信号为x_s，满足以下关系，

e_s＝x_m-x_s

其中，u_s为经从手控制器PID计算得到的控制器调节量；k_p为比例系数；k_i为积分系数；k_d为微分系数。

优选地，k_p、k_i、k_d初始值设定k_p＝k_i＝k_d＝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。

本发明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。

本发明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手臂的姿态及位置信息。

本发明实现了操作者的力觉感知以及对从机械手的位置信息跟踪，实现了在本地主机械手端能够感知远端从机械手的力位置等信息，从而实现主从机械手力、位置协同一致的目的，避免了操作者在本地操作过程中对远端操作对象的损坏以及从机械手没有和操作对象接触造成操作对象丢失的问题，并达到柔顺性操作的目的。

附图说明

图1是本发明实施例的部分结构示意图。

图2是图1中主手控制器的连接结构示意图。

图3是图1中信号处理模块的结构示意图。

图4是本发明实施例中阵列电极系的排布示意图。

图5是本发明实施例使用时的结构示意图。

图中：1-标签，2-阵列电极系，3-双目视觉摄像机，4-1号电极片，5-3号电极片，6-37号电极片，7-45号电极片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

参见图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，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2，

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2；

所述阵列电极系2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_k，满足如下关系：Q_k＝Q_k-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。

根据操作经验，操作者手指一般操作力反馈为0～20N左右，因此本实施例设计了45个电极片，对应0～22.5N的触觉力信号范围，本发明不同于直接将力信号转换为二进制并直接作用于操作者皮肤上的过程，而是将电极片阵列化排列，第一列1个电极片，第二列2个电极片，以此递增共排9列，每个电极片承受触觉力为0.5N，45个电极片共可以表示22.5N的力，每个电极片承受触觉力0.5N力的表示方法增加了操作者对触觉力的分辨能力，操作过程感觉更加细腻。在使用时，可对电极片进行编号，本实施例中，电极编号从左往右增加，从下到上依次增加(如图4中，1号电极片4，3号电极片5，37号电极片6，45号电极片7)。比如当触觉力为2N时则为第一列、第二列为高电平，第三列最下面电极片为高电平，其余电极片均为低电平。这种设置的优点在于操作者对标准力信号增加的触觉更加直接明显。相较于直接将反馈力信息模数转换的方式，本发明的这种方式不会发生由于出现跳跃而导致的操作者误判的现象。

当0～22.5N的力-电极系映射不满足实际应用时，可以在控制算法中乘以一比例因子实现任意力-电极系的映射。由于操作者施加力一般是一个动态小范围变化的过程，比如操作者用手指夹鸡蛋，可能是3N±0.5N的力，本实施例的阵列电极系2的设计能够实现一定范围的力的给定。

所述获取模块包括标签1和双目视觉摄像机3，所述标签1贴于操作者的大臂、小臂、拇指及食指位置，标签1内含有尺寸长度、宽度、颜色信息；所述双目视觉摄像机3通过拍摄贴于操作者上的标签1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。

双目视觉摄像机3实现空间定位技术，基于工业近景摄影测量技术发展而来，通过两个视点观察同一个目标，两副图像对应于两幅不同的视点上，获得不同视角下的图像。通过对图像特征提取以及影像的匹配利用两幅图像成像的偏差，然后根据双目的成像原理，计算出拍摄目标的位置三维信息。而三维信息主要是拍摄目标的三维坐标信息，通过标定后的相机内部和外部参数实现拍摄的像素分布计算出拍摄目标的三维坐标，根据三维坐标来实现测量目标的几何运算。标签1信息含有尺寸长度、宽度、颜色来表示大臂、小臂、手指关节等信息，双目视觉摄像机3通过拍摄即可获知标签1信息。通过双目视觉摄像机3内部的坐标系变换即可输出三维坐标信息以及拍摄点距离摄像机的深度值。双目视觉摄像机3将三维坐标信息以及深度值传输至主手控制器，主手控制器通过计算得到大臂与小臂之间的角度值，然后主手控制器将手臂关节的三维坐标信息以及关节角度信息整理成数据包发送给从手控制器。

所述主手控制器选用STM32F407ZGT6芯片，该芯片最高频率可达72M，包含196K字节的内嵌SRAM，其灵活的外部存储器接口能够连接多种外设。此外STM32F407ZGT67芯片包含有110个可用的I/O口，6个USART串口模块，3个SPI形式接口，3个IIC接口，3个12位AD转换模块，2个12位D/A转换模块，丰富的接口资源为其连接不同的外围设备提供了多种选择的特点，并且该芯片内部的A/D转换通道可以用于内部温度测量。STM32F407ZGT6芯片丰富的资源可以应用到力反馈装置的控制中，实现D/A转换功能、串口通讯、与网络模块结合实现网络通讯功能以及液晶显示屏的显示等。STM32F407ZGT67芯片配接有JTAG模块，通过接口可实现主机对芯片的程序下载功能。

所述通讯模块选用RTL8019AS芯片。通讯模块实现了Internet网络通信功能，芯片RTL8019AS可以将接收和发送数据包通过DMA形式读写RTL8019AS的内部14KB的RAM区，主手控制器通过RS232串口与RTL8019AS相连。主手控制器完成Internet数据的解算和串口RS232数据的封包。远端从机械手传输来的数据包经过Internet物理媒介到达以太网控制芯片RTL8019AS内，RTL8019AS执行地址解析协议，然后发送给主手控制器。

所述从手控制器选用STM32F407ZGT6芯片。

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。本实施例中，主要针对操作者拇指、食指的操作，通过拇指、食指指尖的夹取完成从机械手的操作，而不考虑其他三根手指。从机械手为二指机械手，其结构和操作者结构完全一致，即包括大臂、小臂、拇指各关节、食指各关节。此外，角度传感器可以测量从机械手上旋转关节的角度信息；触觉力传感器为压电薄膜传感器，以将表面压力转化为可变的电阻值，用于测量从机械手末端与操作对象的触觉力。

机械手各关节动电机为可输出大扭矩的伺服电机，可以通过PWM脉冲实现电机控制。从机械手关节连接处连接一个旋转轴，旋转轴与空心编码器相连接，空心编码器与旋转轴固定连接实现角位移测量。从手控制器将空心编码器测量的角位移和压电薄膜传感器测量力信号这两路信号经过信号调理以及数据转换等处理通过通讯模块发送至主手控制器，主手控制器再将数据包解码，解算出从机械手的位置以及从机械手力信息。

操作中为了防止出现操作疲劳引起误操作事故，这里涉及操作者拇指与食指搭载在气球或者弹簧等柔软的物体上，可以通过一种柔软的绳子吊住操作者手臂实现辅助操作以达到省力作用。

操作者的主手位置信号为x_m，所述从机械手的从手位置信号为x_s，满足以下关系，

e_s＝x_m-x_s

其中，u_s为经从手控制器PID计算得到的控制器调节量；k_p为比例系数；k_i为积分系数；k_d为微分系数。

本实施例中，k_p、k_i、k_d初始值设定k_p＝k_i＝k_d＝0.01。

k_p、k_i、k_d为根据操作经验设定值，实际应用中可根据控制效果进行经验整定。要实现从机械手位置与表示主机械手的操作者手臂一致同步，必须实现从机械手关节对操作者手臂的关节跟踪，而从手控制器通过PID计算实现对从机械手伺服电机的调节。具体计算方法为：首先计算通过空心编码器采集的从机械手的从手位置信号x_s，并与操作者的主手位置信号x_m做差值得e_s，再经过比例、积分、微分计算得到控制器调节量u_s，得到本次控制率。为了防止因过大的调节量而导致的电机损坏问题，本发明对最终控制器加入了限幅作用。上述计算在从手控制器中的实现是通过定时器实现的，当定时时间到后进中断子程序，采集从机械手的位置，解算串口中操作者手臂位置，然后做差运算计算位置偏差，通过比例、积分、微分系数进行调节量计算，得到的控制量与定时器上一步的计算控制量相加得到本次控制量，进行限幅处理后换算为PWM脉冲相对应的数字量值，然后加载到伺服电机上，完成位置跟踪运算。

PID计算是一个局部最优过程，设定的初始值无法达到最优控制目标，所以要经过调整试触得到合适的PID参数。在确定PID控制器参数时，可以根据从手控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节从手控制器的参数。首先调节P参数到合适的超调范围内，再调节I参数以消除系统静态误差，最后调节D参数增加系统响应能力。

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由F_e模数转换后的N路二进制信号(F_e为机械手与操作对象的交互力，即从手反馈力信息)、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。

主手控制器将从手反馈力信息F_e转换为阵列电极系2对应的二进制信号，共计进行45位的模数转换。二进制信号经过D/A转换网络实现45路模拟电压信号输出，模拟电压信号再经信号放大、信号滤波等信号处理为合适的电极信号，最终通过45路电极片作用于操作者手腕的皮肤。由于电极片共45个，共计45路D/A转换器，本实施例采用一个选择开关实现45路信号的选择通断功能，从而实现45路D/A转换网络的选择，主手控制器定时对每一路进行选择，顺次进行完成45路D/A转换构成一个转换周期。虽然每一时刻只有一路D/A转换实现，但是由于人的感知具有延时的特征，而分时扫描是毫秒级完成一个转换周期，故操作者可以感知到全部的电极信号。如图4所示，45个电极片排列成直角三角形形状，类似于移动4G手机信号图标，从左至右表示信号的强弱，每一个触觉力信号控制相应数量的电极片对应实现皮肤刺激。当信号较小，则左面电极片通电而高位的电极片截止；反之，当表示的触觉力信号很大时，低位、高位电极片均导通。

为了实现信号的可调节性能以及增加信号的平稳性，设计了信号调理单元，具体调理过程包括信号的放大与信号滤波过程。信号放大是通过差压信号放大器实现，滤波电路利用RC滤波电路实现信号的滤波功能，通过合理的信号放大与信号滤波实现信号的平稳，并且实现信号对皮肤刺激的可调节性能。

本实施例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，所述从电源模块选用TPS76950芯片。LM317芯片作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块，其调压范围宽、稳态性能好、具有输出电压可调的特点。LM317将宽范围的3V～24V电压转换为10V电压，输入电压端用二极管起保护作用，LM317利用外接电阻实现输出电压的线性可调，输出电压端用电容实现稳压保护作用。TPS76950为电压转换芯片，具有超低功耗线性降压性质，当输入的电压在10V左右时，其输出电压稳定在5V，相应可以连接稳压作用的输入与输出电容。

本实施例还包括显示模块，所述显示模块选用型号为SDWe070C06的液晶屏。显示模块内部集成有显示控制器，只需要按照一定的通讯协议发送给显示屏即可实现数据显示。显示模块的设置能够实现力、位置等信息的显示，从而获知操作者姿态、从机械手姿态以及从机械手触觉力等信息，使操作过程更加的直观，方便操作者对自己的姿态做出正确判断。

本发明使用时，将标签1和阵列电极系2贴于操作者手臂上，操作者手臂作为主机械手，成为主从式遥操作系统中的一环。一方面，双目视觉摄像机3拍摄贴在操作者手臂上的标签1信息来获取操作者的手臂位置以及姿态的三维坐标信息，并通过图像格式传输至主手控制器，主手控制器根据标签1的三维坐标信息计算操作者大臂与小臂之间的位置、拇指和食指等关节角度得出主手遥控力信息，并将主手遥控力信息打包通过通讯模块发送到从手控制器，从手控制器将主手遥控力信息用作从机械手进行位置跟踪；另一方面，从手控制器采集从机械手与操作对象交互的触觉力F_e并发送至主手控制器，主手控制器将需要反馈的力F_e信号数字化处理后实现D/A转换，经过信号处理模块通过电极片加载至操作者手腕皮肤，使操作者感知触觉力信号，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，保证了操作者在操作的同时能够感知从机械手的位置、力等信息的目的，且降低了操作者的疲劳感，提高了工作效率。

本发明克服了气动、液动、电动等驱动方法的力反馈装置的不足，并设置了阵列电极系2，能刺激操作者手腕皮肤从而感知触觉力信号。本发明一方面利用人体皮肤能够灵敏感知电信号和力信号的特点，将阵列电极系2以数字式信号表示力信号作用在操作者手腕的皮肤表面，映射从机械手一定范围内的触觉力信息，通过建立力-电极信号的映射关系满足对从机械手的力信号感知；另一方面通过采集操作者手臂的位置信息作为主手遥控力信息用作从机械手的位置跟踪信号，避免了操作过程中的疲劳感以及力反馈装置的笨重感。另外主手控制器不需要对主机械手设计力信号的控制律，只需完成对主操作手的位置信号采集以及通过D/A转换实现对阵列电极系2供电的特点。

本发明无需佩戴气动、液动、电动等驱动方式的力反馈装置，将操作者手指解放出来，增加了操作的自由度，并且操作系统简单方便，操作者作为力控制回路的一个环节，通过大脑调节手指位置与力的大小来直接控制远端从机械手的力与位置信号。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

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Q_k，满足如下关系：Q_k＝Q_k-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STM32F407ZGT6芯片。

4.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：所述通讯模块选用RTL8019AS芯片。

5.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。

6.根据权利要求5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：操作者的主手位置信号为x_m，所述从机械手的从手位置信号为x_s，满足以下关系，

e_s＝x_m-x_s

其中，u_s为经从手控制器PID计算得到的控制器调节量；k_p为比例系数；k_i为积分系数；k_d为微分系数。

7.根据权利要求6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：k_p、k_i、k_d初始值设定k_p＝k_i＝k_d＝0.01。

8.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。

9.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：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。

10.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：还包括显示模块，所述显示模块选用型号为SDWe070C06的液晶屏。

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