[发明专利]具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统及方法

摘要

具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统及方法，所述系统包括机械手臂和舵机组成的动作执行模块、多传感器组成的感知模块以及控制器构成的学习模块。本发明采用模块独立供电方式，在此基础上使用手把手离线示教，将一组由陀螺仪传感器和加速度计组成的动作检测装置作为感知模块搭载在机械臂上，采集机械臂在运动过程中的各连杆的状态信息，然后将这些信息应用模仿学习算法，指导机械臂系统模仿学习示教行为。本发明采取分级分层控制，提升了控制系统的针对性和信息传递效率，本发明能够通过学习获知示教行为的目的，在改变机械臂初始姿态或目标物体所在方位时依旧能够完成模仿任务，具有较高的智能程度。

主权项

具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统，其特征在于：该系统中，DSP控制器(2)、7.4v锂电池(5)、电压转化器(6)、长U型连杆一(7)固定安装在机械臂系统底盘(1)上；51单片机最小系统(3)、舵机控制器(4)分别与DSP控制器(2)连接；所述电压转化器(6)与7.4v锂电池(5)连接，7.4v锂电池(5)与DSP控制器(2)连接；长U型连杆一(7)的侧面安装有长U型连杆二(8)；长U型连杆二(8)的一端安装有超声波传感器(18)；两个长U型连杆的底部连接组成H型连杆(9)；H型连杆(9)一端与长U型连杆二(8)的侧面连接；长U型连杆三(10)一端与H型连杆(9)另一端连接；机械臂手爪(11)与长U型连杆三(10)的另一端连接；MG996R舵机一(12)安装在长U型连杆二(8)与长U型连杆一(7)的连接处；MG996R舵机二(13)安装在H型连杆(9)与长U型连杆二(8)的侧面连接处；MG996R舵机三(14)安装在H型连杆(9)与长U型连杆三(10)的一端连接处；MG996R舵机四(15)安装在长U型连杆三(10)的另一端部处；MG996R舵机五(16)安装在机械臂手爪(11)的端部；MG996R舵机六(17)安装在机械臂手爪(11)的侧面；三轴陀螺仪传感器一(19)与加速度计模块一(22)组成检测模块一，检测模块一设置在H型连杆(9)中间位置处；三轴陀螺仪传感器二(20)与加速度计模块二(23)组成检测模块二，检测模块二设置在长U型连杆三(10)中间位置处；三轴陀螺仪传感器三(21)与加速度计模块三(24)组成检测模块三，检测模块三设置在机械臂手爪(11)的一端；红外测距传感器(25)设置在MG996R舵机六(17)的中间位置；触觉传感器一(26)、触觉传感器二(27)分别设置在机械臂手爪(11)的上下手爪处；具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统方法，机械臂系统工作时，首先采用手把手示教方法对机械手臂进行示教，由感知模块采集示教信息后经控制系统进行模仿学习，控制机械臂模仿示教行为动作；(1)手把手示教及示教数据处理当机械臂系统启动后，系统的舵机控制器不上电，即机械手臂上舵机处于断电状态，采用离线示教的方式，仅感知模块进行工作；用手拖动机械臂完成夹取桌面上物体的动作，三个三轴陀螺仪传感器和加速度计模块组成的动作检测装置采集在示教过程中三个手臂连杆的位姿坐标旋转角速度和角加速度信息，红外测距传感器采集手爪到目标物体的距离信息；动作检测装置将采集到的示教行为信号和距离信号通过IO口传送给DSP控制器，DSP控制器将采集到的信号进行处理后，获得示教行为的状态信息；(2)机械臂系统确定初始状态为51单片机最小系统和舵机控制器上电，即机械手臂上舵机处于通电状态；系统首先通过单片机使机械臂还原到手把手示教前所处的姿态，然后系统通过搭载的传感器搜寻确定目标物体的方位，底座舵机搭载着的超声波传感器进行旋转确定目标物体所在方向，手爪方向的舵机进行旋转使其搭载的红外测距传感器与目标物体保持正对方向，机械臂保持此姿态；(3)机械臂系统模仿学习示教行为机械臂系统进入模仿学习阶段，构建前馈神经网络，将示教行为的状态信息作为网络的输入，机械臂运动的动作策略作为网络的输出；DSP控制器将获得的动作策略传送给51单片机最小系统，由单片机控制舵机控制器将关节角转化为脉宽信号以控制机械臂上的关节转动相应角度，使手爪向目标物体方向运动；机械臂运动过后由红外测距传感器采集手爪与目标物体的距离信息并传送给DSP控制器，若手爪与目标物体距离大于0cm或检测不到目标物体，则继续进行模仿学习，重新调整动作策略，产生舵机控制信号，循环运行，直至满足设定的模仿结束条件即红外测距传感器检测到手爪与目标物体距离为0cm，手爪闭合，由机械臂手爪处的触觉传感器检测是否夹取到目标物体，从而完成示教行为动作。