一種基于多信息融合的人機技能傳遞系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人智能學(xué)習(xí)和控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于多信息融合的人機技能傳遞系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]服務(wù)機器人技術(shù)近年來發(fā)展迅速，日益受到人們重視。與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人相比，服務(wù)機器人服務(wù)于人們?nèi)粘Ｉ?，因而與人更接近，要求與服務(wù)機器人人機交互必須安全，穩(wěn)定可靠。同時由于人的需求多樣性，要求服務(wù)機器人具有靈活的類人行為特性。上述服務(wù)機器人的特性及人們對服務(wù)機器人的期待促使研宄者找到一種便捷，簡易，穩(wěn)定且成本低的人機交互技術(shù)，即能夠?qū)崿F(xiàn)人的技能向服務(wù)機器人的穩(wěn)定傳遞，使服務(wù)機器人更好的服務(wù)于大眾實際生活。
[0003]中國公開專利號:CN 103302668A，名稱:基于Kinect的空間遙操作機器人的控制系統(tǒng)及其方法。該方法基于Kinect實現(xiàn)對空間物體的抓取工作，但是在人們實際生活中，更多的是通過基于阻抗控制來完成作業(yè)，僅僅通過Kinect遙操作無法使用戶實時了解機器人的實際運行情況，也無法很好的完成一些復(fù)雜精細的工作。因而需要更多的傳感信息融合來彌足這些不足。
[0004]中國公開專利號:CN202471117U，名稱:傳感器安裝支架。傳感器的安裝采用穿設(shè)孔固定在主支架上，這種方式的安裝方法需要開設(shè)安裝孔，帶來一定的問題，如定位調(diào)整不方便，開設(shè)的空降低了主支架的強度，如有定位要求，會受外界影響造成一定的擾動誤差，另外該支架設(shè)計缺少靈活的位置調(diào)整固定機構(gòu)，不適合對精度有一定要求的實驗場合。
[0005]中國公開專利號:CN202676197U，名稱:傳感器支架。該支架設(shè)計可伸縮，采用螺紋傳動。但是在大尺度位置調(diào)節(jié)場合，該設(shè)計方式需要增加螺紋長度，給加工帶來一定困難，另外調(diào)整效率會大大降低。而且缺少必須的定位機構(gòu)，當(dāng)螺紋磨損后，會給傳感器的定位帶來一定的干擾。
[0006]另外隨著技術(shù)的進步，越來越多的傳感器用于機器人的服務(wù)領(lǐng)域，如雙目視覺，體感傳感器，觸覺傳感器等。這些傳感器安裝精度將對服務(wù)的效果造成諸多不良影響，如無法實現(xiàn)人機同步，人機交互失真等；另外由于市場上傳感器類型繁多，需要不同的傳感器安裝接口，并且多數(shù)是非標(biāo)準(zhǔn)化的接口，需要單獨定做，給實驗調(diào)試帶來諸多不便，花費相當(dāng)?shù)臅r間和經(jīng)費?，F(xiàn)有的視覺傳感器多固定在墻壁或房間的橫梁上，安裝費時，費力，有時需要專業(yè)的技術(shù)人員鉆孔等。作為固定的實驗平臺，這些傳感器固定在這些位置可能不會影響正常的實驗任務(wù)，然而一旦由于環(huán)境影響如光照，振動等造成傳感器精度下降，這時需要人工修正傳感器安裝誤差，顯然由于安裝的不便利導(dǎo)致調(diào)整難度的增加，另外當(dāng)需要增加傳感器數(shù)量或種類時，傳統(tǒng)的安裝方法的欠可擴展性的弊端更顯而易見。此外某些實驗場合不適合墻壁鉆孔或吊裝作業(yè)，如較為空曠的地帶或者室內(nèi)布線過多，施工易引起意外事故的發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于多信息融合的人機技能傳遞系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]一種基于多信息融合的人機技能傳遞系統(tǒng)，包括與機器人連接的計算機、傳感器安裝支架，以及分別與計算機相連的體感傳感器、雙目視覺攝像頭、人體肌電信號采集儀、人機技能傳遞調(diào)整接口、監(jiān)測顯示器，所述的體感傳感器、雙目視覺攝像頭、人體肌電信號采集儀、人機技能傳遞調(diào)整接口分別安裝在傳感器安裝支架上，所述的人體肌電信號采集儀通過測量電極與人體連接，所述的體感傳感器設(shè)置在人體關(guān)節(jié)處。
[0010]所述的基于多信息融合的人機技能傳遞系統(tǒng)，還包括固定在手柄上的力傳感器。力傳感器固定在手柄上，用戶通過在空間不同方向上施加不同的力，通過的力的增量來估計人體關(guān)節(jié)的阻抗如剛度，阻尼增量，增加了阻抗估計的準(zhǔn)確性和人機交互的安全性，避免因人-機器人阻抗信息不匹配造成的不安全事故。
[0011]所述的基于多信息融合的人機技能傳遞系統(tǒng)，實現(xiàn)多種模式進行人機交互控制策略:肌電控制策略、肌電-體感控制策略、體感控制策略、肌電-體感-視覺反饋控制策略、體感-視覺反饋控制策略、肌電-視覺反饋控制策略。
[0012]所述的肌電控制策略具體為:通過肌電信號采集儀采集人體肌電信號，經(jīng)過處理提取其中的幅值增量作為人體關(guān)節(jié)阻抗的增量，從而獲得人體活動阻抗規(guī)劃并通過機器人的阻抗控制模塊實現(xiàn)人的行為特性向機器人的傳遞，使機器人具有人的阻抗規(guī)劃特性。
[0013]所述的肌電控制策略包含以下順序的步驟:
[0014]S1.用戶采集本身表面肌電信號，同時記錄對應(yīng)肌電信號所施加的力采用20-500HZ帶通濾波器對信號和50Hz陷波濾波器對信號進行預(yù)處理；
[0015]S2.采用AF-FM算法對信號進行特征提取，提取周期為0.ls，獲得信號幅值包絡(luò)曲線；
[0016]S3.計算力的增量和對應(yīng)的表面肌電信號幅值增量，利用肌電信號和力信號的近似線性關(guān)系完成信號的系數(shù)估計和阻抗估計；
[0017]S4.通過機器人的阻抗控制模塊，采用TCP或UDP的數(shù)據(jù)傳遞方式實現(xiàn)人的技能向機器人的傳輸。
[0018]所述的肌電-體感控制策略為:在肌電控制策略基礎(chǔ)上，引入體感傳感器，通過體感傳感器獲得人體關(guān)節(jié)的位置，速度等信息，通過機器人的阻抗控制接口實現(xiàn)阻抗和位置的同時控制。
[0019]所述的體感控制策略為:只通過體感傳感器，獲取人體關(guān)節(jié)運動學(xué)信息進行人機交互。
[0020]所述的肌電-體感-視覺反饋控制策略為:在肌電-體感控制策略基礎(chǔ)上引入視覺反饋，通過雙目攝像頭實時觀測機器人行為是否和人的行為匹配，并進行實時調(diào)整。采用肌電-體感-視覺反饋控制策略達到安全，精確的人機交互控制目的。
[0021]所述的體感-視覺反饋控制策略為:在體感控制策略基礎(chǔ)上引入視覺反饋，使人的行為和機器人行為高度一致。
[0022]所述的肌電-視覺反饋控制策略為:在肌電控制策略基礎(chǔ)上引入視覺反饋，便于用戶根據(jù)機器人所述環(huán)境的變化及時調(diào)整自身行為，矯正機器人的行為。肌電-視覺反饋控制策略使機器人穩(wěn)定、可靠運行。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0024]1、本發(fā)明提供一種基于多信息融合人機技能傳遞系統(tǒng)，系統(tǒng)傳感器定位精度高，穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)模塊化程度高、體積小，操作方便，制造成本低，可以克服傳統(tǒng)支架安裝精度低、接口不匹配、傳感器安裝受空間局限、投入成本高等問題且控制系統(tǒng)簡單，控制模式多樣。
[0025]2、本發(fā)明的系統(tǒng)，服務(wù)機器人人機交互信息充分、控制策略多樣，且多傳感器安裝方便、投入成本顯著降低。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明所述的一種基于多信息融合的人機技能傳遞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為圖1所述的系統(tǒng)基于表面肌電信號阻抗增量估計原理圖；
[0028]圖3為圖1所述的系統(tǒng)肌電-體感傳感器-雙目視覺控制策略總圖；
[0029]圖4為圖1所述的系統(tǒng)表面肌電信號處理流程圖；
[0030]圖5為圖1所述的系統(tǒng)的傳感器支架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖6為圖1所述的系統(tǒng)的雙目攝像頭視角微調(diào)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖7為圖1所述的系統(tǒng)的體感傳感器視角微調(diào)旋轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0034]一種基于多信息融合人機技能傳遞系統(tǒng)，由體感傳感器、雙目視覺攝像頭、人體肌電信號采集儀、人機技能傳遞調(diào)整接口、監(jiān)測顯示器、傳感器支撐支架組成。系統(tǒng)傳感器固定于三坐標(biāo)可調(diào)的平臺支架上，用戶通過肌電信號采集儀采集自身的肌電信號，提取其中的阻抗信息，通過體感傳感器提取自身的運動信息，經(jīng)過人機技能傳遞調(diào)整接口對上述信息進行評估，然后通過機器人運動控制界面?zhèn)鬏斀o機器人，完成人的技能向機器人傳遞，雙目視覺傳感器作為反饋環(huán)節(jié)，實時使用戶掌控機器人運行狀態(tài)，確保服務(wù)的準(zhǔn)確性和安全性。整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
[0035]該系統(tǒng)有以下子系統(tǒng)構(gòu)成:表面肌電信號測量調(diào)整系統(tǒng):由測量電極和肌電信號采集儀組成，該系統(tǒng)通過測得的肌電信號對人體關(guān)節(jié)阻抗信息進行在線估計，從而獲得人體關(guān)節(jié)阻抗的值和相應(yīng)動作的阻抗規(guī)劃，并映射到機器人本體上。
[0036]人體運動信息測量系統(tǒng):由體感傳感器獲得人體關(guān)節(jié)運動信息，經(jīng)調(diào)整后映射到機器人。
[0037]視覺反饋系統(tǒng):通過雙目攝像頭的實時反饋，使用戶及時了解機器人的運行情況，提尚服務(wù)的精確性和安全性。
[0038]其中，表面肌電信號測量調(diào)整系統(tǒng)的調(diào)整階段采用力傳感器和肌電信號融合來提取人體不同行為下的關(guān)節(jié)阻抗信息。力傳感器固定在手柄上，用戶通過在空間不同方向上施加不同的力，通過的力的增量來估計人體關(guān)節(jié)的阻抗如剛度，阻尼增量，增加了阻抗估計的準(zhǔn)確性和人機交互的安全性，避免因人-機器人阻抗信息不匹配造成的不安全事故。
[0039]人體阻抗增量估計流程如圖2所示，其具體步驟是:在用戶手臂相應(yīng)位置的肌肉皮膚表面貼上肌電采集電極，通過手臂的肌肉運動獲取原始肌電信號，同時通過力傳感器獲取手臂肌肉所產(chǎn)生的力。原始肌電信號經(jīng)過濾波等處理獲得其幅值包絡(luò)和增量，同時得到同一采樣時間下的力增量。經(jīng)過人體肌肉剛度系數(shù)評估界面獲得相應(yīng)的剛度系數(shù)，從而得到關(guān)節(jié)肌肉的剛度增量。
[0040]信號處理流程如圖4所示。該處理流程分以下幾個階段:
[0041](I)預(yù)處理，該階段主要完成肌電信號的濾波處理，獲得相應(yīng)頻率范圍的肌電信號并去掉環(huán)境噪聲的干擾；
[0042](2)信號分段，該階段根據(jù)實時控制系統(tǒng)的最小時延主要完成信號的加窗處理；
[0043](3)信號分解，每個信號分段根據(jù)FIR濾波器劃分五個子帶寬；
[0044](4)依據(jù)Teager的能量分解算法獲得肌電信號的幅值包絡(luò)；
[0045](5)序列平滑，利用21點均值濾波去除幅值包絡(luò)的毛刺；
[0046](6)時空平均，主要分為兩個階段，即時間平均和空間平均。前者用于平滑時間序列上的幅值波動，后者用于不同通道之間的平滑處理。
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