人机交互式机械手控制系统及其控制方法

1.一种人机交互式机械手控制系统，其特征在于，它包括三大部分：目标空间坐标信息采集装置、可编程的控制器和驱动装置，其中：
所述的目标空间坐标信息采集装置包括一个具有左右转动和上下俯仰两个方向自由度的云台、两个三维姿态传感器和一个激光测距传感器；两个三维姿态传感器中的一个安装在云台上，能够随云台进行运动，用作云台活动坐标系姿态的检测，另一个三维姿态传感器固定安装在云台底座上，用作静止的基础坐标系，通过比较两个三维姿态传感器之间不同方向的角度差获得云台的活动坐标系相对基础坐标系的变化；激光测距传感器安装在云台上，随云台进行运动，通过调整云台的姿态，来将激光测距传感器的光斑投射到要操作的目标上，并且测出目标的距离；
所述的可编程控制器包括目标坐标定位模块、关节反解模块和控制模块，其中：
所述的目标坐标定位模块的作用是，在获得云台的活动坐标系相对基础坐标系的变化信息和目标的距离信息后，通过目标坐标变换计算程序，进行不同坐标系间的变换推演，计算出激光指定目标相对于机械手基础坐标系的三维空间坐标值；
所述的关节反解模块是一个已训练好的人工神经网络模型，其作用是，当机械手控制系统获得随机工作目标在基础坐标系的三维空间坐标值后,将该三个坐标值和某种代偿姿态描述作为网络模型的输入,以此来快速、并行地得到机械手各关节的某种可行的求解值，按照这些求解值来转动各个关节的角度，将机械手的手部中心放置到激光点指示的位置上方的某个高度附近；
所述的控制模块的作用是，用于发出跟踪指令、抓取目标指令、松开目标指令、手部抬升指令、手部下降指令、示教目标指令和停止指令；
所述的驱动装置包括驱动器和驱动机械手的电机；当驱动器接收到控制器发送来的动作指令时，便控制电机运转或停止，完成机械手相应的操作动作；
这种人机交互式机械手控制系统的控制方式是通过以下方法实现的：
第一步：由操作人员调整安装有传感器的云台的朝向，将其上的激光测距传感器的光束指到需要操作的目标上；
第二步：通过控制器发出跟踪指令，目标空间坐标信息采集装置开始采集传感器数据；
第三步：将采集到的传感器数据传输到控制器，控制器在获得云台的活动坐标系相对基础坐标系的变化信息和目标的距离信息后，由目标坐标定位模块进行不同坐标系间的变换推演，计算出激光指定目标相对于机械手基础坐标系的三维空间坐标值；
第四步：当关节反解模块获得第三步的三维空间坐标值后,将该三个坐标值和某种代偿姿态描述作为网络模型的输入,以此来快速、并行地得到机械手各关节的某种可行的求解值，按照这些求解值来转动各个关节的角度，将机械手的手部中心放置到激光点指示的位置上方的某个高度附近；
第五步：操作人员通过控制器发出动作指令，控制模块控制驱动模块完成相应操作。

人机交互式机械手控制系统及其控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及各种机械手的控制技术，尤其涉及机械手采用人机交互式跟踪目标的控制技术。\n背景技术\n[0002] 目前，随着科学与技术的发展,机械手的应用领域不断扩大.目前,机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中。如智能上假肢、排爆机器人、助老助残机械手等。\n[0003] 所谓对机械手的控制方式一般就是指对机器人的控制方式。\n[0004] 目前，按照机器人工作目标状态的不同，分为结构化工作环境和非结构化工作环境两种模式。\n[0005] 工作在结构化工作环境中的机器人，由于其工作目标的位置与姿态是固定不变的，其工作内容也是固定不变的，所以一般都是按照事先编制好的程序对机器人进行控制，完成一些程序化的操作工作，如工作在焊接生产线上的机器人等。与本发明有关的技术是工作在非结构化环境的机器人。\n[0006] 工作在非结构化环境的机器人，其工作目标的位置与姿态往往是随时变化的，目前，这种机器人常见的工作情形有如下3种：\n[0007] 1、机器人的工作位置是固定不变的，这时可以通过某种机器人视觉系统(如双目视觉系统)来实时检测工作目标的位置与姿态相对机器人坐标系的变化，而后根据工作目标的位置与姿态的不同，来调整机器人手部的运动位置与姿态，并按照规划好的工作路径或最终目标位置来对物体进行操作，人员不参与其已经设定好的工作过程，如工作在食品包装生产线上的机器人等。\n[0008] 2、机器人工作位置虽是变化的，但是可以对工作目标的位置与姿态事先进行检测，在其工作过程中，机器人与工作目标的位置关系相对稳定不变，这时，只需对机器人控制的某些参数做出相应的调整即可，确定好相关参数后，机器人就可以按照事先编制好的程序对机器人进行控制，完成那些程序化的操作工作，人员不参与其已经设定好的工作过程，如喷射混凝土机器人或凿岩机器人等。\n[0009] 3、机器人工作位置是变化的，而且又无法对其工作对象的位置与姿态进行准确检测，目前多采用主从式操作方式对机器人进行控制，即，通过对“主手”手柄或按键的操作，来随时调整“从手”(即实际操作工作的机械手)手部的运动位置，来使得机器人对目标实现操作，人员密切参与其操作过程，如主从式操作的防暴机器人等。\n[0010] 在上述的第3种工作模式中，怎样调整“主手”状态，以使得“从手”准确到达目标位置，全凭操作者的目测与经验来控制，这样的控制方式有以下不足：\n[0011] 1、操作者必须操控“主手”的所有关节去动作，以使得“从手”做出相应的动作，整个控制过程复杂而且冗长。\n[0012] 2、由于操作者目测的误差及对“主手”操作幅度不易精确控制，所以在调整“主手”过程中，往往会使得“从手”移动“不到位”或“移过位”，需要多次调整才能使得“从手”达到要求位置，很不方便。\n[0013] 3、这种操作方式不易使得手部沿着某一随机路径进行行走、或完成下棋一类活动。\n[0014] 为了解决机械手在第3种工作模式中存在的难题，又能使得人员可以随时参与操作过程中，提出了本发明内容。\n[0015] 本发明的申请人曾经申请了一种“实现多自由度假肢对随机目标进行空间定位的方法(公开号CN101947150A，申请号2010102805083)”，这种空间定位方法是为工作在非结构化环境中的机器人对随机目标进行实时空间定位的方法。定位后可为多自由度上假肢实时指明目标所在的操作空间位置，以使其完成指定的操作任务。\n[0016] 本发明申请人曾经还申请了一种“多自由度上假肢关节空间参数的求解方法”(公开号CN101953727A，申请号201010280499.8)，该方法可以在只知道工作目标的操作空间位置，而不知道所要求手部姿态情形下，对多自由度上假肢或机器人的关节空间参数获得某种可行解，以使其能完成指定的操作任务。\n发明内容\n[0017] 本发明的目的是针对现有的“主从式”机械手的操作所存在的不足，结合现有实现多自由度假肢对随机目标进行空间定位的方法和多自由度上假肢关节空间参数的求解方法，提出一种人员参与性强、人机交互效果好、可以在激光器的引导下移动手部位置的一种新型机械手控制系统和控制方法。\n[0018] 为达到上述目的，本发明的人机交互式跟踪目标的机械手控制系统包括三大部分：目标空间坐标信息采集装置、可编程的控制器和驱动装置，其中：\n[0019] 所述的目标空间坐标信息采集装置包括一个具有左右转动和上下俯仰两个方向自由度的云台、两个三维姿态传感器和一个激光测距传感器；两个三维姿态传感器中的一个安装在云台上，可以随云台进行运动，用作云台活动坐标系姿态的检测，另一个三维姿态传感器固定安装在云台底座上，用作静止的基础坐标系，通过比较两个三维姿态传感器之间不同方向的角度差就可以获得云台的活动坐标系相对基础坐标系的变化；激光测距传感器安装在云台上，可以随云台进行运动，通过调整云台的姿态，来将激光测距传感器的光斑投射到要操作的目标上，并且测出目标的距离；\n[0020] 所述的可编程控制器包括目标坐标定位模块、关节反解模块和控制模块，其中：\n[0021] 所述的目标坐标定位模块的作用是，在获得云台的活动坐标系相对基础坐标系的变化信息和目标的距离信息后，通过目标坐标变换计算程序，进行不同坐标系间的变换推演，计算出激光指定目标相对于机械手基础坐标系的三维空间坐标值；\n[0022] 所述的关节反解模块实际上是一个已训练好的人工神经网络模型，其作用是，当机械手控制系统获得随机工作目标在基础坐标系的三维空间坐标值后,将该3个坐标值和某种代偿姿态描述作为网络模型的输入,以此来快速、并行地得到机械手各关节的某种可行的求解值，按照这些求解值来转动各个关节的角度，就可以将机械手的手部中心放置到激光点指示的位置上方的某个高度附近；\n[0023] 所述的控制模块的作用是，用于发出跟踪指令、抓取目标指令、松开目标指令、手部抬升指令、手部下降指令、示教目标指令和停止指令；\n[0024] 所述的驱动装置包括驱动器和驱动机械手的电机；当驱动器接收到控制器发送来的动作指令时，便控制电机运转或停止，完成机械手相应的操作动作。\n[0025] 本发明控制系统的控制方法如下：\n[0026] 第一步：由操作人员调整安装有传感器的云台的朝向，将其上的激光测距传感器的光束指到需要操作的目标上；\n[0027] 第二步：通过控制器发出跟踪指令，目标空间坐标信息采集装置开始采集传感器数据；\n[0028] 第三步：将采集到的传感器数据传输到控制器，控制器在获得云台的活动坐标系相对基础坐标系的变化信息和目标的距离信息后，由目标坐标定位模块进行不同坐标系间的变换推演，计算出激光指定目标相对于机械手基础坐标系的三维空间坐标值；\n[0029] 第四步：当关节反解模块获得第二步的三维空间坐标值后,将该三个坐标值和某种代偿姿态描述作为网络模型的输入,以此来快速、并行地得到机械手各关节的某种可行的求解值，按照这些求解值来转动各个关节的角度，就可以将机械手的手部中心放置到激光点指示的位置上方的某个高度附近；\n[0030] 第五步：操作人员通过控制器发出动作指令，控制模块控制驱动模块完成相应操作。\n[0031] 本发明的优点是：\n[0032] (1)本发明机械手控制系统和方法的主要特点在于其人机交互式操作方式，机械手可以以人为控制的激光测距传感器投射的光斑为引导，来控制机械手进行移动；当发出跟踪指令时，机械手的手部就开始跟随激光光斑的移动而移动，当发出抓取目标指令时，机械手对目标进行抓取；当发出松开目标指令时，机械手松开目标；当发出手部抬升指令时，机械手手部垂直抬升一个设定的高度；当发出手部下降指令时，机械手手部垂直下降一个设定的高度；当发出示教目标指令时，机械手手部自动移动到某个示教好的目标位置；当发出停止指令时，机械手的各种运动停止进行。\n[0033] (2)本发明控制方法能够弥补前述的工作在非结构化环境中的机器人第3种工作模式的不足，使得人员的控制紧张度大大降低，操作者的意愿更容易描述和实现，以激光测距传感器投射的光斑为引导，机械手可以很方便地实现沿任意的路径进行移动，结合机械手的其它控制指令，容易控制机械手完成下棋、喝水、吃饭等动作。\n[0034] (3)本发明控制方法又明显不同于背景技术中第1种和第2种工作模式，它增强了操作人员随时的参与性，而不仅是一个旁观者。\n[0035] 本发明控制系统和方法可以在智能上假肢、排爆机器人、助老助残机械手等多种场所得到应用。\n附图说明\n[0036] 图1是本发明控制系统的原理框图；\n[0037] 图2是本发明目标空间坐标信息采集装置实施例的结构示意图，图中云台的结构以人头为例。\n[0038] 图3本发明控制系统中控制模块的原理框图。\n[0039] 图4是本发明控制系统实施例的程序框图。\n[0040] 图中：1-云台，2-肩部三维姿态传感器，3-头部三维姿态传感器，4-激光测距传感器。\n具体实施方式\n[0041] 下面根据附图对本发明的实施做进一步说明。\n[0042] 本发明的机械手控制系统，如图1所示：包括三大部分，分别是：目标空间坐标信息采集装置、可编程的控制器和驱动装置，其中：\n[0043] 所述的目标空间坐标信息采集装置结构如图2所示：将人的头部用作云台1，将一个三维姿态传感器安装在头部，称为头部三维姿态传感器3，可以随头部进行运动，用作云台1活动坐标系姿态的检测；另一个三维姿态传感器安装在人的肩部(相当于云台1的底座)称为肩部三维姿态传感器2，用作静止的基础坐标系，通过比较两个三维姿态传感器之间不同方向的角度差就可以获得云台的活动坐标系相对基础坐标系的变化；激光测距传感器4安装在云台1的头部，可以随头部进行运动，通过调整头部的姿态，来将激光测距传感器4的光斑投射到要操作的目标上，并且测出目标的距离；\n[0044] 从图1可以看出，所述的可编程的控制器原理框图它也包括三大部分，分别是目标坐标定位模块、关节反解模块和控制模块；其中：\n[0045] 所述的目标坐标定位模块的作用是，在获得云台1的活动坐标系相对基础坐标系的变化信息和目标的距离信息后，通过目标坐标定位模块的变换计算程序，进行不同坐标系间的变换推演，计算出激光指定目标相对于机械手基础坐标系的三维空间坐标值。其工作原理如现有发明专利“实现多自由度假肢对随机目标进行空间定位的方法(申请号\n2010102805083)所述。每当要实现机械手手部对某个目标的跟踪时，首先通过人为调整云台的方向姿态，将激光测距传感器发出的激光点对准目标位置处，同时检测安装在云台上的三维姿态传感器，相对固定安装在云台底座上的三维姿态传感器的转动姿态角度，经目标坐标变换计算程序计算就得到目标在机械手基础坐标系中的空间坐标值。\n[0046] 所述的关节反解模块主要作用是，当机械手控制系统获得随机工作目标在基础坐标系的三维空间坐标值后,将该三个坐标值和某种代偿姿态描述作为网络模型的输入,以此来快速、并行地得到机械手各关节的某种可行的求解值，按照这些求解值来转动各个关节的角度，就可以将机械手的手部中心放置到激光点指示的位置上方的某个高度附近。\n其工作原理如已经申报的发明专利“多自由度上假肢关节空间参数的求解方法”(申请号\n201010280499.8)所述。\n[0047] 所述的控制模块原理如图3所示，主要包括：发出跟踪指令、抓取目标指令、松开目标指令、手部抬升指令、手部下降指令、示教目标指令、停止指令七个控制单元。用来完成对控制指令的识别，并向驱动模块发送识别结果，由驱动模块完成相应操作。其中：\n[0048] 1)跟踪指令用于决定是否对目标进行跟踪，若控制模块发出跟踪指令，则驱动模块根据关节反解模块返回的数值，去连续调整各个关节的角度值，以使得机械手的手部中心不断调整位置，实现对激光指定的随机目标进行跟踪，当激光点的指示的位置沿着某条路径移动时，机械手的手部就会跟随激光点的移动而移动。\n[0049] 2)抓取目标指令用于决定是否对目标进行抓取，若控制模块发出抓取目标指令，则通过驱动模块来驱动机械手手部的开合关节，对目标进行抓取。\n[0050] 3)松开目标指令用于决定是否对目标进行松开，若控制模块发出松开目标指令，则通过驱动模块来驱动机械手手部的开合关节张开，对目标进行放松。\n[0051] 4)手部抬升指令用于决定是否对手部垂直抬升，若控制模块发出手部抬升指令，则通过驱动模块来驱动机械手手部抬升一个设定的高度。\n[0052] 5)手部下降指令用于决定是否对手部垂直下降，若控制模块发出手部下降指令，则通过驱动模块来驱动机械手手部垂直下降一个设定的高度。\n[0053] 6)示教目标指令(可以有若干个不同的示教目标指令)用于决定机械手手部移到哪个示教目标位置，若控制模块发出示教目标指令，则通过驱动模块来驱动机械手手部移动到某个示教好的目标位置。\n[0054] 7)停止指令用于停止各种指令的运动。\n[0055] 所述的驱动模块包括驱动器和驱动机械手的电机；当驱动器接收到控制模块发送来的动作指令时，便控制电机运转或停止，完成机械手相应的操作动作。\n[0056] 图4为本发明人机交互式跟踪目标机械手控制系统实施例的流程图，包括以下几个步骤：\n[0057] 步骤1，实时检测控制模块是否发出跟踪指令。若没有发出跟随指令，则机械手保持初始状态，继续等待。若收到跟踪指令，则进入步骤2。\n[0058] 步骤2，当控制模块发出跟踪指令后，将激光测距传感器、2个三维姿态传感器采集到的数值传给激光点目标空间坐标定位模块，并返回激光点指定位置相对于机械手基础坐标系的空间坐标值。\n[0059] 步骤3，把步骤2中返回的激光点目标空间坐标值和某种代偿姿态描述作为关节反解模块的输入,由关节反解模块来快速求得机械手各个关节应该转动的角度值。\n[0060] 步骤4，根据步骤3计算出的各个关节的转动求解值，由驱动模块驱动机械手各个关节进行相应转动，使得机械手的手部准确到达激光点指定目标的上方，当激光点的移动是连续进行时，步骤2-4就会连续循环，机械手的手部就会跟随激光点的移动路径而移动。\n[0061] 步骤5，当跟踪指令发出后，系统则会实时监测控制模块是否发出其它指令，若没收到其它指令，则机械手会一直跟随激光点的移动路径而移动\n[0062] 步骤6，当收到其它指令后，系统则驱动机械手执行其它相应指令。\n[0063] 步骤7，若执行相应动作指令的同时收到停止指令，则立即停止当前的动作指令，继而判断机械手是否继续工作。若没收到停止指令，则会继续执行当前动作指令，直到新的控制指令到来。\n[0064] 步骤8，对随机目标处理完毕后，若继续工作则返回是否跟踪目标指令；若结束工作，则退出循环，停止工作。\n[0065] 以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体详细，但并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求书为准。