[实用新型]一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统有效
申请号: | 201820804570.X | 申请日: | 2018-05-28 |
公开(公告)号: | CN208172547U | 公开(公告)日: | 2018-11-30 |
发明(设计)人: | 向馗;景文昊;曹雨阳;庞牧野;周申培;唐必伟 | 申请(专利权)人: | 武汉理工大学 |
主分类号: | G05B19/04 | 分类号: | G05B19/04;B25J13/04 |
代理公司: | 北京华仁联合知识产权代理有限公司 11588 | 代理人: | 尹春雷 |
地址: | 430070 湖*** | 国省代码: | 湖北;42 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 工作脚 惯性数据 控制系统 映射 惯性测量单元 大地坐标系 传感器坐标系 控制信号传输 数据采集单元 数据传输单元 智能控制领域 本实用新型 比例系数 单元末端 控制信号 模式识别 运动转换 运动状态 机械臂 转换 断开 采集 传输 | ||
本实用新型公开了一种基于惯性测量单元的脚‑机跟随控制系统,属于模式识别和智能控制领域。该控制系统包括:(1)数据采集单元,用于采集工作脚的惯性数据;(2)数据传输单元,用于将惯性数据传输到控制单元以及将控制信号传输到执行器;(3)控制单元,将工作脚在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中,同时把执行单元末端的运动也转换到大地坐标系中,根据转换后的工作脚惯性数据,发出控制信号,将工作脚的运动状态映射到执行单元;(4)执行单元,用于执行控制单元的命令;(5)交互启/停单元,用于控制工作脚与机械臂之间映射的连接与断开,调节工作脚映射到执行单元的比例系数。
技术领域
本实用新型属于模式识别和智能控制领域,涉及一种脚-机跟随控制系统,尤其涉及一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统。
背景技术
脚-机跟随控制,即用人脚去控制机械臂等执行器,使得人脚的运动能映射到机械臂中,机械臂能够跟随人脚的运动,属于人机交互的一种。随着微电子技术和传感器技术的发展以及虚拟现实技术的兴起,脚-机跟随控制的应用也越来越多。
已有的脚-机跟随系统包括如下几类:(1)操纵杆,操作困难,由于脚的灵活度不如手,即使对于健全的人,操纵杆的控制也比较困难;(2)踏板,功能有限,比如汽车的刹车,只有踩下和松开两种状态,往往还需要额外的机械结构;(3)游戏应用中的跳舞毯(脚踏键盘),要求人脚在跳舞毯上运动,运动空间受到局限;(4)深度相机,如微软的Kinect,对干扰异常敏感,精度有限,识别的准确率较低,成本较高。
惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,简称IMU)是测量物体三轴加速度以及姿态角(或角速率)的装置。一个IMU包含了三轴加速度计和三轴陀螺仪,加速度计检测物体在载体坐标系统中独立三轴的加速度信号,而陀螺仪则检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。惯性测量单元在惯性导航领域应用广泛,测量得到人在运动过程中的加速度,然后对加速度二次积分,就能获得人的运动位移。
因此,对于用脚控制机械臂等执行机构的人机交互应用,急需一种空间限制较小,没有束缚的高精度控制方法,以人脚运动的位移作为控制信号,实现人机交互。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种基于IMU的脚-机跟随控制系统,具体技术方案如下。
一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统,包括:(1)数据采集单元,用于采集工作脚的惯性数据(加速度和角速度值);(2)数据传输单元,用于将惯性数据传输到控制单元以及将控制信号传输到执行器;(3)控制单元,将工作脚在传感器坐标系中的运动转换到大地坐标系中,同时把执行单元末端的运动也转换到大地坐标系中,根据转换后的工作脚惯性数据,将工作脚的运动状态映射到执行单元,发出控制信号;(4)执行单元,如机械臂,用于执行控制单元的命令;(5)交互启/停单元,用于控制工作脚与机械臂之间映射的连接与断开,调节工作脚映射到执行单元的比例系数。
IMU采集的数据为其中为三轴加速度数据,为三轴陀螺仪数据。而且该单元体积应较小,重量也应较轻,以便固定在人脚上。
数据传输单元应采用功耗较低,传输实时性好的有线或无线传输方式,如USB、串口、蓝牙等。
控制单元应采用运算能力强,并具有多种通信接口的控制单元,如PC、STM32等。执行单元应当具有多种运动自由度,并且支持多种通信方式,尤其是应当具有软件控制接口,且支持高级编程语言,例如可编程机械臂等机构。
交互启/停单元可选用一个带有按键和滑块的装置。辅助脚每次按下按键,都可以在工作脚与机械臂映射的连接与断开状态之间实现一次切换。辅助脚推动滑块左右运动,可以方便地调节映射比例系数k。
本实用新型提供的一种基于惯性测量单元的脚-机跟随控制系统,工作原理如下。
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