專利名稱：基于觸覺臨場感的遙操作機器人肌電控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種遙操作機器人控制方法，特別地，涉及基于觸覺臨場感并采用肌電控制的遙操作機器人控制方法。
背景技術(shù)：
全自主方式工作的機器人一直是機器人學(xué)者所追求的目標，然而，由于人工智能、傳感和控制水平的限制，工作在復(fù)雜或未知環(huán)境下的全自主型機器人是目前難以達到的。近年來，隨著核能技術(shù)、空間技術(shù)和海洋技術(shù)的迅速發(fā)展，迫切需要大量在危險或有害環(huán)境下工作的機器人。許多人工智能專家和機器人學(xué)研究者認為，目前機器人的研究重點應(yīng)由全自主式技術(shù)轉(zhuǎn)向交互技術(shù)，就是要在研究中重新考慮“人”的地位，將人的智能和機器人的智能有機結(jié)合起來，這樣的研究更具現(xiàn)實意義。 遙操作系統(tǒng)就是ー個操作者-機器人的共生交互系統(tǒng)，其目的就是幫操作者完成對遠地環(huán)境的遙作(teleoperation)和遙知(teleperception)。其中遙作是操作者對遠地機器人的遙操作，將人的命令或動作傳遞給機器人；遙知就是遠端機器人與環(huán)境信息交互的反饋，構(gòu)成遙操作系統(tǒng)的控制回路。遙作(teleoperation)要求通過ー種輸入接ロ將操作者的指令傳達給機器人。目前遙作輸入接ロ有很多，但多數(shù)輸入接ロ仍然存在一定問題，如輸入不自然、方式単一、信息存在多義性，輸入技術(shù)已成為制約人機交互的瓶頸。而且，大部分輸入接ロ都涉及到復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)或者感知系統(tǒng)，操作者需要熟悉、了解這個復(fù)雜的接ロ，在作業(yè)過程中可能會有難以適應(yīng)的感覺。因此如何引入新的遙作接ロ方式，使操作者更加方便自如地將指令傳達給機器人，增強主動的、自然的人機交互是“遙作”方面需要解決的問題?？紤]到獲取操作 者動作最直接的信號就是從人體直接獲取信息，利用操作者上肢的表面肌電信號(surfaceelectromyogram, SEMG)來控制遠端的機器人,這樣的人機接ロ對操作者不會構(gòu)成操作上 的負擔，無需特殊學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，而且操作者在作業(yè)過程中不受束縛，操作感好。這種肌電遙操作方式提供了人機交互的新渠道，增進了人機交互的自然性和主動性。遙知(teleperception)方面，從增強遙操作系統(tǒng)操作者的感知和系統(tǒng)對操作者的親近性出發(fā)，人們提出了臨場感的概念，并將臨場感技術(shù)作為遙操作系統(tǒng)交互技術(shù)的核心。其本質(zhì)就是將遠地從機器人感知到的機器人和環(huán)境的交互信息以及環(huán)境的信息(包括視覺、觸覺、聽覺等信息)實時地、真實地反饋給操作者，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感覺，從而有效地感知環(huán)境及控制從機器人完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。工作在交互方式下具有臨場感的遙操作系統(tǒng)是在危險、復(fù)雜或非確定環(huán)境下完成作業(yè)任務(wù)的有效手段。具有觸覺傳感和反饋的遙控作業(yè)系統(tǒng)能有效地增強操作者對遠端機器人手與物體接觸情況的感知，以及被抓握物體的表面物理特征，從而能快速準確地完成作業(yè)任務(wù)。目前，遙控作業(yè)中視覺臨場感技術(shù)用得較多，但通過視覺并不能準確地得到遙遠處從機械手與環(huán)境作用的全部信息，由于機器人手爪通常會間斷性地遮擋機器人的視線，因此視覺信息只能在手爪操作之前或者之后出現(xiàn)，而機器人觸覺則可以在整個操作過程中實時提供具體的觸覺信息如機器人手與被抓物體何時開始接觸、機器人手與物體接觸力的大小、甚至接觸的形狀等。在跟蹤抓取、精細操作中，在存在無照明、狹窄空間等視覺障礙時，機器人的觸覺能力直接決定著遙控機器人作業(yè)系統(tǒng)的操作性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，將遙控機器人不可或缺的兩方面“遙作”和“遙知”通過肌電控制和觸覺臨場感融合在一起，提出了一種新穎的人機交互方式。以操控者人手為動作模仿對象，通過采集手臂皮膚表面肌電信號，經(jīng)模式識別判斷出相應(yīng)的多個動作模式，控制機器人手完成對應(yīng)動作，具有操控自然的特點；在作業(yè)過程中，操控者可根據(jù)觸覺臨場感來掌握和調(diào)節(jié)手部動作，實現(xiàn)觸覺臨場反饋式作業(yè)。這種交互方式可以使操作者真實地感覺到機器人與被操作物體的動態(tài)相互作用，就象操作者自己的手在操作物體ー樣，這有助于操作者完成復(fù)雜精密的作業(yè)。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明方法主要包括以下步驟
步驟一，獲取操作者手臂指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號。具體是首先通過肌電信號采集儀采集指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號，再采用空域相關(guān)濾波方法對含有干擾噪聲的肌電信號進行消噪。步驟ニ，根據(jù)操作者手臂指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號識別出操作者的操作動作，具體動作包括伸腕、屈腕、展拳或握拳。識別方法如下
無操作動作時指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號的平均功率，分別記為忍H若指伸肌的表面肌電信號大于忍+ ,則認為指伸肌表面肌電信號強，反之認為指伸肌表面肌電信號弱L力冗余量，根據(jù)實驗情況設(shè)定。若尺側(cè)腕伸肌的表面肌電信號大于巧+ ,則認為尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強，反之認為尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱，も為冗余量，根據(jù)實驗情況設(shè)定。若尺側(cè)腕屈肌的表面肌電信號大于之+4 ,則認為尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，
反之認為尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，4為冗余量，根據(jù)實驗情況設(shè)定。若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為伸腕動作；
若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，識別結(jié)果為屈腕動作；
若指伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為展拳動作；
若指伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，識別結(jié)果為握拳動作；
若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為不動作。步驟三，把步驟ニ的識別結(jié)果轉(zhuǎn)化為機器人控制指令，控制機器人手操作相應(yīng)的動作。步驟四，機器人手合攏的作業(yè)過程中，通過安裝于機器人手的觸覺傳感器，將現(xiàn)場觸覺信息反饋給操控者，實現(xiàn)觸覺臨場感。所述的觸覺臨場感，具體是當觸覺傳感器觸碰被抓エ件吋，由觸覺處理電路完成觸覺信號處理，并通過刺激電路發(fā)送到刺激電極，刺激電極作用于指端的神經(jīng)和肌體組織，在刺激電流的作用下，指端電觸點下肌體及神經(jīng)末梢等興奮組織的細胞出現(xiàn)特征性生物電信號，這些生物電信號上傳至中樞神經(jīng)系統(tǒng)后，再經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)感知，就可使操作者產(chǎn)生相應(yīng)電觸點處的觸覺意識，從而實現(xiàn)觸覺臨場感。、
步驟五，操控者可根據(jù)觸覺臨場感來掌握自己的手部動作，并根據(jù)操作者的肌電信號重復(fù)步驟一至步驟五控制機器人手。本發(fā)明可以增強遙操作機器人的人機交互深度、準確性及適應(yīng)能力，對解決工作在危險或有害環(huán)境下的遙控機器人，如核エ業(yè)裝配中抓取易形變、易爆的物體，有很好的應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)方案 圖2為根據(jù)三路肌電信號強弱判斷動作模式的流程 圖3為史陶比爾TX90L型エ業(yè)機器人；
圖4為觸覺臨場感系統(tǒng)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作詳細說明本實施在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。如圖I所示，本實施包括如下步驟
步驟一，獲取操作者手臂指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號。具體是首先通過肌電信號采集儀采集指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號，再采用空域相關(guān)濾波方法對含有干擾噪聲的肌電信號進行消噪。由于手部未動作時米集的表面肌電信號對應(yīng)為信號的噪聲，若對該含有噪聲的表面肌電信號進行多尺度小波分解，各尺度的高頻系數(shù)的首尾部分對應(yīng)手部無動作時的表面肌電信號，因此可以用手部無動作時的SEMG信號的高頻系數(shù)來估計各層的噪聲能量門限。取表面肌電信號小波變換高頻系數(shù)的前《 (本實施中《取100)個點，取到的這些點對應(yīng)于手部未動作時表面肌電信號的高頻系數(shù)，用這些點的方差來估計SEMG信號的噪聲能量閾值，此時濾波算法中用下式控制迭代過程
r · Var(IWfQfM)) > VariWfQXj) k =1,2,…,N ■ k'=l, 2,---,η(I)
其中〃(CU]為自適應(yīng)系數(shù)，其值隨著尺度J的變化而變化，是根據(jù)經(jīng)驗和實驗確定的； 為迭代后的高頻系數(shù)的方差;VanWCJJ0即為估計的噪聲能量閾值。當上式成立時迭代繼續(xù)，否則停止。空域相關(guān)法利用真實信號的小波系數(shù)在各尺度上的相關(guān)性，使得小尺度上的真實信號的小波系數(shù)得以突顯，從而實現(xiàn)了真實信號的小波系數(shù)與噪聲小波系數(shù)的分離，取得了比較好的濾波效果。步驟ニ，根據(jù)操作者手臂指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號識別出操作者的操作動作，具體動作包括伸腕、屈腕、展拳或握拳。識別方法如下
無操作動作時指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號的平均功率，分別記為m若指伸肌的表面肌電信號大于乓+ ,則認為指伸肌表面肌電信號強，反之認為指伸肌表面肌電信號弱，4力冗余量，根據(jù)實驗情況設(shè)定。
若尺側(cè)腕伸肌的表面肌電信號大于巧+ ,則認為尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強，反之認為尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱ユ力冗余量，根據(jù)實驗情況設(shè)定。若尺側(cè)腕屈肌的表面肌電信號大于ち+ ,則認為尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，
反之認為尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，4為冗余量，根據(jù)實驗情況設(shè)定。若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為伸腕動作。若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，識別結(jié)果為屈腕動作。若指伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為展拳動作。若指伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，識別結(jié)果為握拳動作。若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為不動作。用表格表示上述組合關(guān)系，如表I所示。表I三路肌電信號強弱與操作者手部動作的對應(yīng)關(guān)系
權(quán)利要求
1.基于觸覺臨場感的遙操作機器人肌電控制方法，其特征在于該方法包括如下步驟 步驟一，獲取操作者手臂指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號；具體是首先通過肌電信號采集儀采集指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號，再采用空域相關(guān)濾波方法對含有干擾噪聲的肌電信號進行消噪； 步驟ニ，根據(jù)操作者手臂指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號識別出操作者的操作動作，具體動作包括伸腕、屈腕、展拳或握拳； 識別方法如下 無操作動作時指伸肌、尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌三路表面肌電信號的平均功率，分別記為4，巧，€ ; 若指伸肌的表面肌電信號大于忍+4，則認為指伸肌表面肌電信號強，反之認為指伸肌表面肌電信號艿力冗余量； 若尺側(cè)腕伸肌的表面肌電信號大于馬+ ，則認為尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強，反之認為尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱，各為冗余量； 若尺側(cè)腕屈肌的表面肌電信號大于忍+冬，則認為尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，反之認為尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，も為冗余量； 若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為伸腕動作； 若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，識別結(jié)果為屈腕動作； 若指伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為展拳動作； 若指伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號強、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號強，識別結(jié)果為握拳動作； 若指伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕伸肌表面肌電信號弱、尺側(cè)腕屈肌表面肌電信號弱，識別結(jié)果為不動作； 步驟三，把步驟ニ的識別結(jié)果轉(zhuǎn)化為機器人控制指令，控制機器人手操作相應(yīng)的動作； 步驟四，機器人手合攏的作業(yè)過程中，通過安裝于機器人手的觸覺傳感器，將現(xiàn)場觸覺信息反饋給操控者，實現(xiàn)觸覺臨場感； 所述的觸覺臨場感，具體是當觸覺傳感器觸碰被抓エ件吋，由觸覺處理電路完成觸覺信號處理，并通過刺激電路發(fā)送到刺激電極，刺激電極作用于指端的神經(jīng)和肌體組織，在刺激電流的作用下，指端電觸點下肌體及神經(jīng)末梢興奮組織的細胞出現(xiàn)特征性生物電信號，這些生物電信號上傳至中樞神經(jīng)系統(tǒng)后，再經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)感知，就可使操作者產(chǎn)生相應(yīng)電觸點處的觸覺意識，從而實現(xiàn)觸覺臨場感； 步驟五，操控者可根據(jù)觸覺臨場感來掌握自己的手部動作，并根據(jù)操作者的肌電信號重復(fù)步驟一至步驟五控制機器人手 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于觸覺臨場感的遙操作機器人肌電控制方法。本發(fā)明以操控者人手為動作模仿對象，通過采集手臂皮膚表面肌電信號，經(jīng)模式識別判斷出相應(yīng)的多個動作模式，控制機器人手完成對應(yīng)動作，具有操控自然的特點；在作業(yè)過程中，操控者可根據(jù)觸覺臨場感來掌握和調(diào)節(jié)手部動作，實現(xiàn)觸覺臨場反饋式作業(yè)。本發(fā)明可以增強遙操作機器人的人機交互深度、準確性及適應(yīng)能力，對解決工作在危險或有害環(huán)境下的遙控機器人，如核工業(yè)裝配中抓取易形變、易爆的物體，有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號B25J13/08GK102729254SQ20121023188
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者佘青山, 孟明, 席旭剛, 張啟忠, 羅志增 申請人:杭州電子科技大學(xué)