一种基于数据套筒的人机交互方法

一种基于数据套筒的人机交互方法

1实验数据和工具在人力资源部，随着研究空间的扩展，传统的计算机输入设备（键盘、鼠手）变得不再有效。手是人习惯的沟通方式。因此，近年来的许多研究人员在根据他们的手腕测试数据握手方面做了大量工作。数据握手为操作员提供了自然有效的引擎工具。80年代至今,国外已提出一些比较实用的方案如Cyberglove,DexterousHandMaster,VPL公司的DataGlove,Powerglove等.国内北科大、北理工也开发了类似的数据手套.其中Cyberglove、VPLDataGlove是利用柔性光纤弯曲时光传导发生损耗的原理工作的,Powerglove、北科大数据手套采用导电油墨作为传感器,利用了油墨弯曲受压时电阻发生变化的原理.北航机器人所也成功地研制了3指5关节BHF-I型简易数据手套,该手套利用具有运动约束的非同心圆机构原理,检测元件为电位计.迄今为止,其他的数据手套还有采用霍尔效应元件、超声波等作为主要检测元件.1.2数据使用的仿真在航空航天、水下和核工业这些复杂不确定或不可接近的环境中,由于现有机器人技术水平的制约,机器人完全自主地完成各种作业任务是不现实的.它往往需要操作人员必要的监控和遥操作.借助于图形仿真,操作者利用遥操作设备(遥操作机械臂、数据手套、立体眼镜等)对机器人控制.数据手套的主要作用则是为了帮助操作者根据视觉反馈信息对机器人多指灵巧手的运动遥操作,以达到完成某一任务的目的.这样既可发挥机器人的自主决策能力,又能发挥人的智能和关键性决策作用,使人机智能有机交融.1.3机械参数和数据手册在北航机器人所PUMA560机器人与多指灵巧手集成的遥操作系统中,我们成功地利用了6自由度遥操作机械臂和3指5关节BHG-I型简易手套进行了实验.为了深入研究遥操作共享控制技术,即研究在遥科学大系统实现人机交互协调控制,我们在研制面向灵巧手遥操作的3指5关节简易手套基础上,利用机械连杆机构运动确定性的原理来检测手指关节运动,研制了一种新型机械电子式的5指11自由度的BHG-Ⅱ型数据手套.2bhg-ii数据体裁的设计原理2.1运行空间和局部坐标系人的手具有27个自由度,其中6个为臂部自由度,表示手的位置和方向,掌部有21个自由度.每个手指(II-V)有4个自由度,其中手指基部(MP)有2个自由度,中间关节(PIP)和末端关节(DIP)只有1个自由度.大拇指有5个自由度.手的模型及其关节定义如图1.为了建立人手的运动空间、图形仿真空间及多指灵巧手的操作空间的映射关系,在图1所示每一个关节都定义一个局部坐标系,且该坐标系符合笛卡尔右手坐标系规则,具体如图2所示.2.2模型1:自然且自由且有两个自由度的特点混合式人的手部是一个多冗余信息的活动体,其关节间运动存在着相关性.为了优化数据手套的设计,希望以有限的自由度充分反映手部信息,所以我们有必要对手的运动进行分析.手指关节的运动是受到约束的,为了避免不切实际的动作,我们对手的模型作出以下约束:(1)虽然关节运动的范围因人而异,但它们大体有一个通用的运动范围;(2)手指以自然的方式运动,关节DIP与PIP之间存在着相关性,只有在X方向上的弯曲/伸展运动关系为θDΙΡ=(23)θΡΙΡ;θDIP=(23)θPIP;(3)MP关节具有两个自由度,作内收/外展和弯曲/伸展运动.中指的MP关节不作侧向运动,即θzΜΡzMP=0;(4)手指的运动受内部驱动,而不受外部的约束限制.所以,手指的关节矢量可以表示为θf=(θXΜΡ,θzΜΡ,θΡΙΡ,(23)θΡΙΡ)(其中f=Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)θf=(θXMP,θzMP,θPIP,(23)θPIP)(其中f=Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)2.3阿斯塔纳的规格数据手套作为手的数字化输入设备,用来检测指关节间的相对转角和手指间的相对转角.它的测量机制将直接影响数据手套的性能.现有的数据手套采用在手套上依附传感器的结构.这种结构存在以下两点不足:(1)手套的大小约束了对不同人手的适应性,故手套必须有一系列的规格;(2)作为支撑物的手套存在线形滑移和非线形的弯曲运动,标定柔性体有很大误差,且沿手指方向存在关节间的耦合.由于传统数据手套不能解决手指运动关节间的解耦问题,所以不满足高精度机器人灵巧手运动控制的需要.因此,我们抛弃了传统数据手套的形状,采用了基于四杆机构的机械联动装置,其具体机构如图3所示.在图3所示的结构中,单一自由度的指关节测量机构采用平面四杆机构,两自由度的掌关节测量机构采用了空间六杆机构.依据手的模型,我们认为巧妙的机构设计可以极大地简化传感器和检测算法,下面将分别从机械原理和数学建模的角度进行分析.2.4创新运动链的测量原理单自由度测量机构安装在手指末端(DIP)和中间关节(PIP),现对其中一个指关节进行具体分析,并作出如下假设:支座与指肢骨固联,无相对滑移.建立图4所示平面四连杆模型简图,则该运动链的自由度为F=3n-2ΡL-ΡΗ=3×3-2×4-0=1F=3n−2PL−PH=3×3−2×4−0=1故该运动链具有确定的运动,是一个平面四杆机构(Four-barLinkage).四杆机构能由本身形状保证运动副封闭,具有确定的运动规律和传递运动准确的特性,故适用于测量手指的运动,具体分析如下其中T为电位计的测量角度,可求得关节转角U式中U——关节转角;θ——计算用变量,随关节角变化;V1,V2——计算中间变量,在标定时确定,运动过程中保持不变.以上采用位置式算法,直观地反映了关节角与测量角之间的绝对关系.但对于控制算法,通常采用增量式,它能直接得反映关节角与测量角之间的相对关系,而且易于数据处理,具体算法如下可见,关节转角ΔU与测量角的增量ΔT之间具有严格的函数关系,适用于测量手指关节的相对转角.2.52单环闭链式6杆机构的运动原理人的手指掌关节是一个球销副,具有两个自由度,分别为指关节间的相对转动和手指间的相对运动,测量此关节的运动需借助具有两个自由度的空间机构.当手指间无相对运动时,该机构应简化为平面四杆机构,故其应由平面四杆机构衍生.BHG-II型数据手套采用了空间六杆机构测量掌关节的运动,机构简图如图5所示.该空间六杆机构以掌肢骨为机架,以指肢骨为原动件,且原动件具有两个自由度,其开链机构的自由度F0为所含各运动副的自由度fi的总和.F0=5∑k=1fi=5∑k=1kΡk=Ρ1+2Ρ2=5+2×1=7F0=∑k=15fi=∑k=15kPk=P1+2P2=5+2×1=7开链机构末端最多具有6个自由度,可分解为绕固定坐标轴的转动自由度λr和沿坐标轴的移动自由度λt.末件的转动自由度可由运动副转轴的方位来确定.末件的移动自由度λt由基本移动自由度λtt和转动衍生的附加自由度λtr组成,所以λ=λr+λt=λr+λtt+λtr=2+0+3=5λ=λr+λt=λr+λtt+λtr=2+0+3=5λ=5<6,可见灵活性略差,但机构简单,整体刚度较大,故单环闭链空间6杆机构自由度为F=F0-λ=5∑k=1kΡk-λ=-λ=7-5=2F=F0−λ=∑k=15kPk−λ=−λ=7−5=2由此可见,该机构的自由度与原动件自由度相等,故其有确定的运动,可以用于测量具有两个自由度的关节运动,其检测原理具体分析如下:此机构的数学建模如图5所示,其构件AG、CD为两抽象杆件,转动副A、G与转动副C、D分别可组合为一球销副,且AG=CD=0,故图5中GD=AC.α、β均为电位计测量角,为手指之间的相对转角,L1、L2为肢骨长.在ΔABC中,由余弦定理得在ΔGED中,由正弦定理得由上式可知,手指之间的相对转角γ与测量角α、β具有严格的函数关系.所以,空间六杆机构适用于测量手指的内收/外展运动.3实验系统集成3.1机械电子实际女性手的运动单元BHG-Ⅱ型数据手套的设计是面向多指灵巧手遥操作系统和虚拟设计/装配.为了验证其有效性,我们建立了图6所示的实验系统平台.该系统主要由数据手套机械电子本体及单片机数据采集与通讯控制盒、FastTrack跟踪器(立体定向仪)、图形仿真软件、灵巧手控制器和多指灵巧手及PUMA560机器人组成.人类手部的运动很复杂,为了确切反映手的信息,需分析手部运动的最小运动单元.这些单位包括手的位置、方向和手指的弯曲角度,它们的不同组合形成不同的姿态.因此,利用数据手套的机械电子本体检测手指的弯曲角度,控制多指灵巧手的运动;借助FastTrack跟踪器采集手的位置和方向信息,来控制PUMA560机器人的机械臂运动.另外,我们开发了数据手套控制盒,完成数据的采集和通讯任务,通过串行口把数据送入工作站或PC机,这样数据手套可以在不同平台上方便移植,成为计算机的标准外部设备.4应用图形仿真的抓好小样本体验在遥操作机器人临场感技术的应用中,数据手套的主要作用是为了帮助操作者根据视觉反馈信息对机器人多指灵巧手和机械臂的运动进行遥操作,以达到完成某一任务的目的.BHG-II型数据手套已应用于臂/手集成遥操作系统.在本地在线控制条件下,该系统构成一个手眼协调系统,操作者可直接对机器人灵巧手进行控制,完成精细和灵巧作业.但在不具备实验条件时,借助于图形仿真方法,可以直观地看到系统实验的各种可能结果以及对整个过程有全面的认识,具有安全、迅速、方便廉价等特点,同时图形仿真也可用于预测控制(PredictControl).但在异地或大时延的条件下,遥操作的实现变的尤为复杂,主要表现为操作者发出的指令和视觉反馈信息之间因果关系的丧失.我们提出解决该问题的一种方法是将任务分为若干段,在每个任务段控制过程中去掉反馈通道,利用图形仿真系统为操作者提供虚拟的视觉反馈遥控机器人;而在任务段之间停顿接收反馈信息,修正仿真图形环境为下一任务段做准备,依次完成各任务段即可完成机器人的遥操作.即图形仿真系统实现了离散采样功能,同时为遥操作者提供了预测的视觉反馈信息.另外,在机器人本体上安装传感器,实现局部自主控制以保证安全.为此,我们构造了一个三维虚拟遥操作环境,包括以下环境物:一辆天车、一只右手模型、一个控制台和一个被抓持物体.系统用数据手套驱动三维手模型,可实现在虚拟遥操作空间完成虚拟装配、图形操作和三维物体间的碰撞检测.图形仿真软件能实时地跟踪显示手部的复杂运动,并能对手势作出识别,达到手部数据信息可视化的效果,为开展遥操作的研究提供了一个仿真环境.5hg-型数据终端我们研制了一种新型面向遥操作的数据手套,可以适用于不同大小的成人手型,能够检测到分布在5手指上的11个自由度的微小运动,利用图形仿真软件可以实现实时的人机交互.BHG-Ⅱ型数据手套有