[发明专利]一种多轴机械臂的自然手势运动控制系统和方法

权利要求书

1.一种多轴机械臂运动控制系统，其特征在于包括：

机械臂，包括实体机械臂或虚拟机械臂；

信号采集模块，由用户佩戴，被配置为采集表面肌电信号和惯性测量单元信号；

自然手势识别与手臂姿态解析模块，被配置为利用所述信号采集模块获取的表面肌电信号和惯性测量单元信号来识别自然手势并解析手臂姿态；以及

机械臂运动控制模块，被配置为根据所述自然手势识别与手臂姿态解析模块得到的识别和解析结果来控制所述机械臂实现与用户动作相对应的运动；

其中，所述信号采集模块、所述自然手势识别与手臂姿态解析模块、所述机械臂运动控制模块以及所述机械臂之间通信连接。

2.根据权利要求1所述的系统，所述信号采集模块还包括表面肌电电极、惯性测量单元信号模块、电源管理模块、信号预处理模块以及无线通讯模块，其特征在于：所述信号采集模块被配置为采集多通道肌电信号，所述惯性测量单元信号模块被配置为提供3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计信息并集成在所述信号采集模块中。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述信号预处理模块还包括前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路以及A/D转换电路，其中，所述电源管理模块被配置为产生不同幅值的电压为不同的单元模块供电。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述自然手势识别与手臂姿态解析模块被配置为通过对表面肌电信号进行模式分类以识别自然手势，以及对惯性测量单元信号实时解算手臂的空间姿态和运动信息。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述机械臂运动控制模块被配置为通过建立手臂与机械臂之间的物理关系模型将所述自然手势识别与手臂姿态解析模块得到的识别和解析结果转化成控制所述机械臂的控制信息，从而控制机械臂实现与手臂运动相一致的运动，手势识别结果也可用于工作模式的切换。

6.一种多轴机械臂运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、校准数据采集装置；

S2、获取表面肌电信号与IMU信息；

S3、信号预处理并通过无线通讯方式发送；

S4、进行手势识别与手臂姿态解析；

S5、建立手臂-机械臂物理关系模型，输出机械臂运动控制量；

S6、驱动机械臂运动。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述信号预处理包括：对原始信号进行放大、带通滤波以及进行A/D转换和数字采样。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41、数据分窗处理；

S42、对分窗数据进行特征提取与特征降维；

S43、分类器训练与测试；

S44、输出自然手势识别结果；

S45、解算手臂姿态，推导各关节转动角度以及手臂末端位移。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S4还包括：在得到识别结果后通过不同的手势动作切换机械臂的工作模式。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S5中所述建立手臂-机械臂物理关系模型包括：

i)末端控制模式：通过末端的位移反推出控制机械臂各关节转动的控制量；和/或

ii)关节控制模式：将在步骤S4中得到的手臂关节角度的变化按一定比例映射到机械臂的运动控制中。