[发明专利]一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的遥操作系统与方法

说明书

本发明提供了一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的力反馈遥操作系统与方法，该系统包括近端可穿戴设备、远端机器臂单元和处理控制单元。所述的近端可穿戴设备包括外骨骼数据手套和肌电手环，可同时获取手指、手腕、小臂和大臂的动作信息，所述处理控制单元包括传感器电路和上位机系统，上位机对采集到的用户动作信息进行分析处理，并将控制信号发送给远端机器臂控制器，完成相应的操作；此外，位于机械手上的力传感器可将机械手末端压力实时传送给上位机系统，再通过外骨骼数据手套微控制器控制驱动电机，带动驱动缆绳和指尖内部压片，以实现比较真实的力反馈。本发明可应用于航空、工业、医疗、教学和娱乐等领域。

技术领域

本发明涉及机器人遥操作技术领域。具体地涉及一种基于外骨骼数据手套和肌电手环的遥操作系统与方法的相关技术。

背景技术

遥操作控制技术由于其广泛的应用前景，一直是机器人研究领域中的一大热点。尤其在航空航天、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，往往需要操作人员必要的监控和遥操作。同时日常生活中的一些实用技术如远程医疗、远程教学、虚拟现实娱乐设施等，也需要提供特殊服务的遥操作技术。因此，处于交互控制方式下的主、从式遥操作机器人无疑是近来发展的重点。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。力反馈技术应用于遥操作领域，可使操作者感受到细腻的操纵过程，达到较好的临场感效果，从而实现更好的人机交互。

中国发明专利公开号：CN 107480697 A，名称：一种肌电手势识别方法和系统。该发明通过对MYO手环采集的肌电信号进行变换处理，反解出人的手势动作。该技术虽然可实现对操作者手势动作的跟踪，但只能实现开环遥操作控制，无法为操作者提供力反馈，交互感和临场感较差。

中国实用新型专利公开号：CN 207096930 U，名称：一种触觉反馈外骨骼用控制系统。该实用新型提供了一种外骨骼主手触觉反馈控制系统，系统能获取、跟踪手指动作信息，并通过对与外骨骼相连指尖肌腱的压感实现指尖部位的力反馈。然而外骨骼主手只限于获取手指的各关节角度信息，无法完成对手的平移、旋转等动作的跟踪，并且力反馈只限于指尖，忽略了人手指的联动性，力反馈的真实性有待提高。

发明内容

为了扩展遥操作的应用范围和交互临场感，本发明提供了一种基于外骨骼手数据手套和肌电手环的力反馈遥操作系统与方法，可应用于航空、工业、医疗、教学和娱乐等领域。

该系统由可穿戴设备、远端机器臂和处理控制单元组成。所述可穿戴设备包括仿人外骨骼数据手套和肌电手环。所述外骨骼数据手套包括手腕固定基架、手背固定基架、5个仿人手指、位置传感器和外骨骼手套微控制器。

所述手背固定基架一端通过球形铰链与除拇指外的4个仿人手指的指根部相连接，另一端通过4根长度可调节的链条与手腕固定基架相连，所述手腕固定基架通过球形铰链与拇指根部相连接。

所述手背和手腕固定基架均由弹性材料制成的绷带分别固定于佩戴者的手掌与手腕部位，实现固定功能。

所述外骨骼数据手套的除拇指外4个仿人手指均包括三段：指尖段、指中段和指根段。指尖段通过销钉铰链与指中段相连接，指中段由两部分构成，该两部分由丝杠螺母连接，实现外骨骼手套的手指部分长度可调节，指中段通过销钉铰链与指根段相连接，指根段另一端通过球形铰链与所述手背固定基架相连接。

所述外骨骼数据手套的拇指也包括三段：指尖段、指中段和指根段，与四指不同的是其指根段为曲柄连杆，用以满足拇指结构的特殊性，所述曲柄连杆末端通过球形铰链与手腕固定基架相连接。

所述5个仿人手指每段关节的销钉铰链连接处的上方均安有定滑轮，固定于指尖处的驱动绳，分别经过指中段和指根段的两个定滑轮，与安装在手背固定基架上的驱动电机相连接，外骨骼数据手套微控制器通过控制驱动电机的旋转实现驱动绳的放松与收紧，从而实现部分力反馈功能。