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一种面向遥操作的新型数据手套研制.pdf

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第卷第期机器人∂ 年月ΡΟΒΟΤ 文章编号222 一种面向遥操作的新型数据手套研制α 王家顺王田苗魏军韩壮志游松 北京航空航天大学机器人研究所 摘要本文主要介绍了自制的2型数据手套的设计!原理和实验给出了该数据手套的 性能!优缺点和实验数据并借助图形仿真模型验证了利用数据手套在虚拟环境下进行人机交互的可 行性最后通过数据手套对灵巧手控制实验说明了其在遥操作领域应用的有效性 关键词数据手套遥操作图形仿真虚拟现实 中图分类号×°文献标识码 1引言 在人机交互领域中随着研究空间的拓展传统的计算机输入设备键盘!鼠标已不再有 效手势是一种符合人的习惯的交流方式因此近年来许多研究工作者在基于手势检测的数据 手套方面做了大量的工作数据手套为操作者提供了一种自然!有效的人机交互工具 年代至今国外已提出一些比较实用的方案如≤√⁄¬∏ ∂°公司的⁄√°√等≈国内北科大!北理工也开发了类似的数据手套 其中≤√!∂°⁄√是利用柔性光纤弯曲时光传导发生损耗的原理工作的 °√!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指关节ƒ2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 112数据手套在遥操作领域的应用 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 13研制新型数据手套的目的 在北航机器人所°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 了自由度遥操作机械臂和指关节2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 的指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 α收稿日期 机器人年月 制了一种新型机械电子式的指自由度的2型数据手套 22型数据手套的设计原理 21手的建模 人的手具有个自由度其中个为臂部自由度表示手的位置和方向掌部有个自 由度每个手指∂有个自由度其中手指基部°有个自由度中间关节°°和末 端关节⁄°只有个自由度大拇指有个自由度手的模型及其关节定义≈如图为了建 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所示 图右手的关节模型图右手关节局部坐标系 22手的运动分析 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 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 手指以自然的方式运动关节⁄°与°°之间存在着相关性只有在÷方向上的弯 曲伸展运动关系为Η⁄°Η°° °关节具有两个自由度作内收外展和弯曲伸展运动中指的°关节不作侧向 ζ 运动即Η° 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 Ξζ ΗφΗ°Η°Η°°Η°°其中φ!!! 23方案提出 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 手套的大小约束了对不同人手的