[发明专利]一种水下机械臂操控用命令输入装置及操控方法

权利要求书

1.一种水下机械臂操控用命令输入装置的操控方法，其特征在于：

所述命令输入装置按模块划分，包括信号处理器(14)、胸前传感模块(c1)、大臂传感模块(c2)、小臂传感模块(c3)、末端传感模块及连接总线(4)；所述胸前传感模块(c1)、大臂传感模块(c2)、小臂传感模块(c3)及末端传感模块的组成结构相同，分别用于测量模块在空间中的姿态，并依次通过连接总线(4)相连接，胸前传感模块(c1)另一端通过连接总线(4)与信号处理器(14)连接；各传感模块的结构均包括安装载体，所述安装载体上设置有微电子式姿态传感器及接口适配器；

微电子式姿态传感器包括分别属于胸前传感模块(c1)、大臂传感模块(c2)、小臂传感模块(c3)和末端传感模块的一号姿态传感器(12)、二号姿态传感器(9)、三号姿态传感器(6)和四号姿态传感器(2)；

所述末端传感模块与信号处理器(14)集成在一起形成握件(c4)，所述握件(c4)上布置输入激活按钮(15)及激活指示灯(16)；所述激活按钮(15)将其输出信号接到信号处理器(14)用于切换机械臂操控用命令输入装置是否处于激活状态；信号处理器(14)则将当前是否处于激活状态输出到激活指示灯(16)上，让操作直观得到系统是否激活的信息；

握件(c4)上还设有操纵模式选择按钮(17)，操纵模式选择按钮(17)将其输出信号连接到信号处理器(14)，用于切换机械臂操控输入装置的操纵模式；

握件(c4)上还设有接受信号处理器(14)所发出的操纵模式信号的模式指示灯(18)；

穿戴式布置结构的实施过程，包括以下步骤：

用激活按钮(15)设置使命令输入装置处于非激活状态，此时激活指示灯(16)表现为常亮而不闪；

然后，将胸前传感模块(c1)、大臂传感模块(c2)、小臂传感模块(c3)及握件(c4)分别穿戴于操作人员的胸前、大臂、小臂和握于掌中，完成穿戴后，准备开始操控水下机械臂时，手握握件(c4)，使手臂及手掌位于胸前适合进行上下、左右、前后及旋转运动的舒适位置；

其次，打开输入装置的激活按钮(15)，使命令输入装置进入激活状态，激活指示灯(16)将进入慢速闪烁状态，表示输入装置已经激活，此时手掌位置作为水下机械臂末端执行器的参考位置，当操作员相对于此参考位置移动握件(c4)时，将握件(c4)相对于参考位置的偏移量等效换算到水下机械臂末端执行器的运动速度，经机械臂运动求解后，转换成机械臂关节运动的控制指令，发送到水下机械臂执行，而握件(c4)的姿态参数，将直接对应到末端执行器的姿态；

在人员所在位置建立一个操作机械臂的工作坐标系，该坐标系跟随操作人员运动，保持其OZ轴竖直向上，OX轴水平指向人员前方；该坐标系使用下标b表示，并按如下步骤确定Oxyz_b坐标系：

a)确定垂直轴oz_b，取其与全局坐标系相同，即

b)确定水平轴ox_b，使其落在oz_b轴与一号姿态传感器(12)oz₁轴张开面内，且在oz₁轴附近，其计算方法为：

先由此两矢量和v_x,b叉乘得oy_b轴，再由oy_b，oz_b两轴叉乘得ox_b轴；

式中，R₁表示一号姿态传感器( 12) 输出的坐标系变换矩阵，e_y,b,分别为工作坐标系Y轴方向基矢量的未归一化矢量和归一化矢量，为工作坐标系X轴的归一化基矢量；

c)构造Oxyz_b坐标系的变换矩阵R_b，使用该坐标系的基矢量即列向量逐列拼接得到：

设大臂、小臂的长度分别为d2，d3，则手掌根部即腕关节在全局坐标系中的位置可表达为：

式中，R₂，R₃分别为大臂坐标系和小臂坐标系到全局坐标系的变换矩阵，则为X轴基矢量，再转换到人员相对坐标系中，可描述为

矢量r_b反映了手腕根部相对于操作人员胸前的位置，可以将此位置的变化映射到机械臂末端执行器的位置操作指令上去，从而实现通过移动手腕位置来操控机械臂运动的目的；

完成水下机械臂操控后，及时操作激活按钮(15)，使输入装置进入非激活状态，以免误操作水下机械臂。