基于数据手套的仿人机械手控制技术

韦婷 肖南峰（华南理工大学计算机科学与工程学院广州）

摘要：仿人机械手的研究是机器人领域的热点问题之一．本文对基于数据手套的仿人机械手控制技术进行研究与实现。首先，提出了从14－传感器数据手套到仿真虚拟手和仿人机械手的关节角度映射方案；然后，设计了实时仿真控制和在线控制两类控制模式，提出的借助仿真虚拟手可及时展示控制效果，解决在线控制仿入机械手时运动时延带来的控制不直观的问题；最后，实验证明了基于数据手套的仿人机械手控制技术的正确性和实用性。

关键词： 数据手套； 仿人机械手； 实时仿真； 在线控制；

1引言

随着机器人应用领域的不断扩展，机器人作业的任务和环境的复杂性不断增加。仿人机械手作为机器人末端操作器，具有多自由度、多指协调、灵活性强的特点，因此能满足更灵巧以及精细的任务的要求。仿人机械手是一个复杂的机器人系统，若采用传统的操作者向控制器输入指令的控制模式，而且很难实现实时性和较好的交互性。采用数据手套作为输入。不仅能灵活的控制仿人机械手，而且具有自然、直观、实时性强的优点，是提高传统机器人操作性能和作业水平的有效途径。

目前，在国外，有用数据手套作为输入设备，对机械手抓取操作控制等的研究。也有对手势识别的研究。在国内，也有学者对相关方面的研究，然而，许多都是控制虚拟手的操作，或者以静止的几种手势来指示机器臂的运动。 本文提出使用数据手套作为输入控制设备获得人手的运动信息后， 在虚拟环境中实时控制仿真虚拟手的运动， 以及以在线控制的方式， 最直观的控制仿人机械手的运动，其中包括直接控制和手势识别控制两种控制模式。同时，借助仿真虚拟手可以实时反映人手动作，及时展示运动效果，解决了仿人机械手的电机运动速度比人手运动速度慢而造成时延带来的控制效果不直观的问题。

2系统构架

图1展示了整个控制系统的基本构架。该系统主要由三大部分组成：数据手套输入、仿真虚拟手以及仿人机械手。操作者戴上数据手套完成动作，数据手套各个关节传感器的信息作为控制信号，输入剑计算机系统的控制软件。控制软件对数据手套的输入信号进行处理，映射为人手手指的各个关节的角度信息。然后，以这些信息作为控制仿真虚拟手和仿人机械手的控制参数，控制虚拟手和仿人机械手的运动。

本系统设计了两类不同的控制方式：实时仿真控制自和在线控制。实时仿真控制是同步控制仿真虚拟手跟人手进行相同的动作序列。在线控制方式，是在人手佩戴的数据手套保持一个状态稳定一定的时问间隔，才控制仿真虚拟手和仿人机械手运动。仿真虚拟手起到测显示的作用，弥补了仿人机械手的运动时延导致的无法及时观察操作效果的问题。而仿人机械手在完成其动作之后，能把仿人机械手状态信息反地给控制软件。其中，在线控制义分为在线直接控制和在线手势识别控制。

3基于数据手套的运动映射

3.1数据手套

3.1.1数据手套简介

本文采刚5DT date glove数据手套，它总共有14个传传感器。其中，每个手指连接掌部的关节和手指中间关节各1个传感器，5个手指两两之间各1个传感器。数据手套锌传感器分布如图2所示。

3.1.2数据手套校正与对应关节角度映射

不同操作者由于手部尺寸差异，使用数据手套时产生的信号值有所不同，因此数据手套在之前需要首先进行校正。根据人手生理结构，手指的某个关节的可转动角度有同定的范围

Angle range=Angle max-Angle min。对于不同的操作者，对应来自数据手套的输入信号的范围有所不同，Value Range=V max-Vallue min，角度输入信号是线性的对应关系。当手指处于某个角度，由当前的信号值Value current，根据当前的角度满足如Ｆ映射关系：Angle current=Value current/Value Range*Angle Range则可计算出当前关节角度值Angle current。

3.2仿真虚拟手平台

本系统使用文献[7]介绍的仿真虚拟手平台。该仿真虚拟手平台是利用OpenGL读取3DS MAX

保存的模型数据文件对虚拟手进行绘制、组装，以及通过平移、旋转和缩放坐标变换实现手指各关节的运动。此外，在仿真系统中，能通过鼠标拖动任意地改变观测距离和观测视角。

3.3仿人机械手

本系统使闱文献[8]介绍的仿人机械手，其结构与关节旋转角度与仿真虚拟手完全相同。因此仿真虚拟手与仿人机械手具有及其良好的对应的关系，从数据手套到两者的映射也是完全相同，无需分别进行，为系统的设计提供了极大的便利，而且通过虚拟手的运动就能直观的观察仿人机械手的操作效果。

3.4数据手套到虚拟手和机械手的映射。

3.41仿真虚拟于与仿人机械手的结构

仿真虚拟手与仿人机械手的结构如图3所示。由图中可知，其结构与人手的结构十分相近，每个手指各四个白由度，每个自由度一个关节， 而且每个关节可旋转的角度也进行了限制，使它的运动也接近人手，如表1。

3.4.2数据手套到虚拟手和仿人机械手的关节角度映射

由于5DT date Glove 14 Ultra数据手套除拇指外的4个手指在末梢关节（DU）处没有传感器， 因此手指末梢关节的角度需要根据其他传感器的输入值映射而得。根据人手的生理结构可知，除拇指外的其余4个手指的末梢关节运动并不独立，它受到手指中间关节（PU）的约束。两者之间满足线性关系：

ΘDu=KθPU

ｋ取2/3时最合理。在人手最自然的运动状态下，拇指的末梢关节的角度与拇指指掌关节的角度也满足此线性关系。各个手指相对于掌部的侧向运动角度，由数据手套的两两手指之间的传感器映射获得。 由此，从14传感器数据手套合理地映射出虚拟手和仿人机械手所有20个手指关节的角度。

4控制模式及其关键技术

本系统的控制模式分两类：实时仿真控制和在线控制。其中在线控制又分为：在线直接控制和在线识别控制两种模式。操作者可根据当时的需要使用不同的控制模式。

4.1实时仿真控制

实时仿真控制是实时控制仿真虚拟手跟随人手进行相同的动作序列，使操作者能实时而又直观地观察基于数据手套控制的操作效果。 由于要求虚拟手的姿势与操作者手部的运动同步，要求系统具有实时性。若采用硬件定时来完成精确的实时控制需要增加额外的硬件设计，降低了系统的通用性。而且本系统控制仿真虚拟手完全没有必要实现绝对的实时控制，只要在人眼的感觉上达到同步已经能满足系统的需求。人的视觉具有暂留的视觉特点，即人眼对动态图像的变化仅能分辨出时间间隔为25毫秒左右的变化，如果图像变化太快，则人眼无法分辨。因此，采用VC的Timer事件定时器已完全能符合需求。通过在VC中设置定时器为每25毫秒调用一次回调函数，读取数据手套的信号作为当前的输入，映射出手指所有关节的角度，控制仿真虚拟手完成与操作者手部相同的运动姿势。

4.2在线控制

在线控制是当人手佩戴的数据手套保持一个状态达到一定的时间间隔，才认为人手在做一个姿势，控制仿真虚拟手和仿人机械手运动到这个姿势。这样能解决仿人机械手的机械运动速度比人手运动速度慢而带来的操作时延问题。

在线控制需要首先对人手的状态进行确认。当人手从一个状态运动到另一个状态的过程中， 若以25毫秒为时间片划分，存在一系列过渡状态，或多余动作。若对于每一个这样的过渡状态都驱动仿人机械手运动，由于仿人机械手的运动速度比较慢，无法跟上人手速度，会出现仿人机械手断断续续运动，或做多了不必要的过波动作。因此在线控制是只有当人手保持一个状态达到一定的时间间隔（例如：3秒），才认为人手在做一个姿势。这样过滤掉中间过渡状态，直接驱动仿人机械手运动到所需的姿势。

由于人手在保持一个姿势时，通常都会出现微小的抖动，由此会导致系统误认为人手并非保持一个姿势。为了消除这种不利的影响，对于来自数据手套输入，当在持续的时间问隔内， 所有关节角度变化范围均小于一个阀值（例如5度）时，认为这是人手的抖动，仍旧确认人手保持在同一个姿辨。

由于仿人机械手的机械运动速度比较慢，带来了操作时延问题，使得操作者在人手完成动作的同时，无法立刻观察到仿人机械手的效果。虚拟手的仿真运动则解决了此问题。当确认了人手的状态后，仿真虚拟手能在瞬间完成动作，及时反馈最终控制效果给操作者，起到预测显示的作用。这样，即使仿人机械手必须经过一定的时延才能运动到位，由于操作青和仿真虚拟手之间没有时延，不会影响系统的可操作性。

在线直接控制是在人手状态确认后，控制仿真虚拟手和仿人机械手运动到与人手保持的状态完全相同的姿势。使得操作者可以完全自由灵活的控制仿人机械手进行任何人手可达到的动作。

在线识别控制是在人手状态确认后，对人手保持的姿势进行手势识别。控制仿真虚拟手和仿人机械手运动到所识别出的特定手势。使得操作者可以在人手的姿势不太准确的情况下，控制仿人机械手精确的完成事先已经学习过的特定的操作。根据文献[9]所定义分类的16种抓持手势，事先让操作者戴着数据手套完成手势．驱动仿人机械手，并存储各种抓持手势的手指角度作为模板。使用时采用模扳匹配技术，将来自数据手套的手指关节角度信息与预先存

储的模板进行匹配， 通过测量两者之间的相似度来完成识别任务。

5实验与分析

5.1实时仿真控制实验

在实时仿真控制模式下，操作者佩戴数据手套控制仿真虚拟手实时做Y手势。 图4展示了对应实验效果的过程截图。

由实验结果可知，实时仿真控制能很好的达到预期的实验效果。

5.2在线控制实验

在线直接控制模式下，操作者佩戴数据手套从手部完全伸展的状态运动到夸奖手势，并保持该手势3秒钟，由此控制仿真虚拟手和仿人机挑手完成夸奖手势。

图5（a）是这个过程中，来自数据手套的14个输入信号每25毫秒采集一次数据，并经过校正转换成关节角度的曲线图。其中横坐标是时间轴，纵坐标是角度值，每条曲线对应一个关节角度随时间的变化。由图中可见，在表示时间轴的X坐标为0至约2500毫秒的区间， 是数据手套从手部完全伸展的状态运动到夸奖手势的过程。在X坐标为2500至5500毫秒的区间，是保持手势3秒钟的过程，此过程中各条曲线的Ｙ坐标变化范围均不超过阀值5度， 这是人手抖动造成的，系统自动消除抖动影响，仍确认人手保持在该手势3秒。在5500毫秒之后，系统根据5500毫秒时的关节角度数据，映射到所有关节后，控制仿真虚拟手和仿人机械手完成夸奖手势，如图5（b）所示。由实验结果可知，在线控制能很好的达到预期的实验效果。

6结论

本文提出了基于数据手套的仿真虚拟手和仿人机械手的控制方法，成功实现了对实验室自主研发的仿真虚拟手和仿人机械手的控制，既可以实现实时仿真控制，又可以实现在线控制， 为灵活控制仿人机械手完成各种作业提供了良好的解决方案。今后将进一步对仿人机械手抓持物体的规划和远程控制等进行更深入的研究。

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