[发明专利]一种仿人机械臂体感控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人控制领域，更具体地，涉及一种仿人机械臂体感控制系统及控制方法。

背景技术

多数交互设备需要操作者掌握专业知识才能进行相应的交互操作。而体感技术降低了操作者对外设专业知识的掌握，简化了学习和训练的过程，依靠实时肢体(手势)识别、面部识别及语音识别就可以实现对机器的直接控制。用这种最自然的方式与机器进行交互，可以减轻操作者的负荷。自然的人机交互方式，越来越受到重视。

通常，基于体感设备的控制方法采用可穿戴设备来采集骨骼信息，这种设备穿戴繁琐，降低了体感控制的可操作性。目前获取的人体骨骼信息后，大多通过空间向量法计算人体关节角，直接映射到机器人关节角用于控制机器人。但是这种控制方法，由于获取关节数量较少，计算自由度多，操作复杂，控制不精确，缺乏对机器人的完整描述。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明旨在克服传统机械臂控制方法操作复杂的缺陷，减少控制机器人所需计算和输出的自由度，使机器人控制更加智能、准确和快速。

为了实现上述目的，本发明提供了一种仿人机械臂体感控制系统，包括：体感检测设备、机械臂控制器、机械臂和数据交互平台；体感检测设备的输出端连接数据交互平台的输入端，数据交互平台与机械臂控制器双向连接，机械臂控制器的输出端连接机械臂；

体感检测设备，用于提取人体的肩关节中点B、肩关节位置S、肘关节位置E、腕关节位置W、手掌位置H、手末端位置H_T和拇指位置T；

机械臂，具有对应模拟人体的肩关节中点B'、肩关节位置S'、肘关节位置E'、腕关节位置W'、手掌位置H'；1号关节位于B'和S'之间，1号连杆连接1号关节和S'，2号连杆连接S'和3号关节，3号连杆连接3号关节和E'，4号连杆连接E'和5号关节，5号连杆连接5号关节和W'，6号连杆连接W'和7号关节，7号连杆连接7号关节和H'；S'、E'、W'分别是2号、4号、6号关节；

数据交互平台，用于接收和处理体感检测设备上传的人体各位置数据，并据此计算出人体臂型角ψ、手掌位置^BP_H、手掌姿态^BR_H，从而根据ψ、^BP_H、^BR_H结合机械臂的运动参数计算出机械臂的角度θ_i，θ_i表示i号连杆绕i号关节轴线的转角，i＝1,2,…,7；数据交互平台还用于将θ_i发送给机械臂控制器；

机械臂控制器用于将θ_i转换成运动指令以控制机械臂的运动并将机械臂的运动信息反馈给数据交互平台。

进一步地，还包括虚拟场景显示控制台，虚拟场景显示控制台连接在数据交互平台和体感检测设备之间，用于模拟机械臂所处环境以及机械臂的运行结果并根据模拟结果决定机械臂是否执行数据交互平台的运动指令。

进一步地，数据交互平台用于按照如下方式确定臂型角ψ：

将B、S、W三点确定的平面作为参考平面，将S、W、E三点确定的平面作为臂平面，计算参考平面和臂平面的夹角，记为臂型角ψ。

进一步地，数据交互平台用于按照如下方式确定手掌位置^BP_H：

根据B点和H点的坐标，得出手掌相对肩关节中点的位置^BP_H，

^BP_H＝[(x_H-x_B),(y_H-y_B),(z_H-z_B)]

其中，x_H、y_H、z_H是H点的坐标，x_B、y_B、z_B是B点的坐标。

进一步地，数据交互平台用于按照如下方式确定手掌位置^BP_H：

根据腕关节W和手掌位置H的坐标，求得向量该方向记为Z_H；手掌点H、拇指点T和手掌末端H_T三点构成一个平面，X_H垂直于该平面；Y_H是根据Z_H和X_H由笛卡尔坐标系确定；