【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统及方法，用于实现遥操作模式下操作者双手信息采集、处理并传递至上位机，属于信息采集领域，适用于远程主从遥操作模式下排爆机器人、手术机器人、空间机器人等领域，或者其他需要操作者远程指挥高精度作业控制的主端人体双手信息采集。
技术介绍
1、排爆机器人、手术机器人、空间机器人等智能系统，需要主端操作者的双手位姿高精度、低延时的被采集并远程发送至机器人从端，进行高精度灵巧作业示教控制。针对复杂多变场景下的灵巧精细作业任务需求，主从遥操作系统需要具有低时延、高精度位姿感知的能力，从而实现高精度的主从遥操作控制。双手信息采集示教系统可以将操作者的双手位姿信息高精度的采集并低时延的传递至从端机械臂、灵巧手等智能机器人系统，示教控制其按照操作者手部位姿进行任务作业。近年来数字化传感器技术迅速发展、逐步先进，目前可用来采集主端双手位姿信息的方法也越来越多，最常用的方法主要包括光纤传感器、惯性传感器等。
2、公布号为cn116520978 a的专利公开了一种数据手套，该专利技术检测点封装半固态印泥传感材料，用于根据对应检测点的形状变化相应的改变电阻阻值等电学参数，实现手部各关节点的弯曲角度测量。但该方法主要存在以下问题：
3、(1)其手套受封装的半固态印泥传感材料限制，弹性差，不同手穿戴精度有所差别，手套变形对精度影响较大。
4、(2)半固态印泥传感材料形状变化会相应的改变电阻阻值等电学参数，电学参数采集、变换等过程中，容易受温度、电磁等环境的干扰，从而降低数据手
5、(3)虽然可检测手指各关节角度信息，但是缺乏手掌部位的位姿信息。
6、公告号为cn 220795803 u的专利公开了一种用于手势交互的数据手套，该专利技术采用若干个9轴imu作为信息感知单元，用于感知手部动作信号。但该方法主要存在以下问题：
7、(1)若干个9轴imu布置在手套的手指、手腕和手背部位，可感知手部动作信号，但是惯性器件imu长时间工作会引起误差累积而导致数据漂移，未配备其他传感器进行数据融合，精度较差。
8、公布号为cn117170498 a的专利公开了一种基于光传感器的数据手套，该专利技术姿态传感器采用了低功耗、高精度的3轴加速度、3轴角速度传感器，通过一定算法获得实时的3维角度。但该方法主要存在以下问题：
9、(1)3轴加速度、3轴角速度传感器姿态传感器，进行3维角度解算过程中，不可避免的需要积分运算，会由于初始误差的存在引起误差累积而导致数据漂移，精度较差。
技术实现思路
1、本申请解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统及方法，实现主端操作者的双手位姿信息的高精度低延时采集。
2、具体的，本专利技术采用光纤柔性传感器，融合高精度惯性测量单元，实现高精度手指与腕关节手掌位姿追踪，实现主端双手信息高精度实时采集与安全无线远程传输，并设计搭载安全识别控制模块，能灵敏捕获超出安全范围的异常情况做出安全保护反应控制，从而实现主端操作者的双手位姿信息的高精度、低延时采集，最终实现高精度的主从遥操作控制，该系统及方法适用于远程主从遥操作模式下排爆机器人、手术机器人、空间机器人等领域，或者其他需要操作者远程指挥高精度作业控制的主端人体双手信息采集，解决远程主端操作者双手位姿高精度信息采集与安全远程示教控制的问题，从而实现从端机器人系统的高精度远程示教控制。
3、本申请提供的技术方案如下：
4、一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统，包括至少一对柔性的穿戴手套，穿戴手套上设置有惯性传感器单元、光纤柔性传感器、信号采集与处理单元和无线发射模块，惯性传感器单元固定在穿戴手套的手背位置和手指末端，穿戴手套的任意相邻两个手指间、以及穿戴手套的每个手指的每个指节上均固定光纤柔性传感器；惯性传感器单元内嵌三轴陀螺仪和三轴加速度计，通过陀螺仪输出的角速度信息和加速度计输出的比力信息，根据角速度信息和比力信息计算出所固定部位的速度、姿态和位置信息，光纤柔性传感器用于测量各手指关节弯曲角度和手指间夹角，信号采集与处理单元用于采集与处理惯性传感器单元和光纤柔性传感器的输出数据，获得处理结果；无线发射模块用于将处理结果传输至上位机。
5、还包括，脚踏板控制使能模块，与信号采集与处理单元连接，处理结果误差较大时，通过脚踏板单击或者双击指令，控制使能模块做出强制对准模式的使能指令或者做出异常信号断开的使能指令，信号采集与处理单元接收使能指令，并将程序强制转移至初始对准模式或者程序终止；初始对准模式时，信号采集与处理单元根据使能指令获得惯性传感器单元的输出数据，进行粗对准计算和精对准计算，获得初始姿态信息(θ0',γ0',ψ0')。
6、上述任一项所述的一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统的示教方法，包括：
7、s1：穿戴双手的穿戴手套，对每一个惯性传感器单元进行初始对准，初始对准姿态调整为双手张开、手指伸直并拢且手掌垂直向下，使初始对准姿态保持静止，开始进行初始对准；
8、s2：对于一个惯性传感器单元，根据该惯性传感器单元输出的陀螺仪输出数据和加速度计输出数据获得初始姿态旋转矩阵b为惯性传感器单元的载体系记，n为导航系；
9、s3：记初始姿态旋转矩阵为t，根据t计算获得多个初始的姿态角数组，并对初始的姿态角数组球平均值作为粗对准的姿态初始值；
10、s4：在姿态初始值的基础上，对惯性传感器单元的输出数据进行捷联惯导解算，获得速度信息和捷联惯导误差方程，以捷联惯导误差方程为卡尔曼滤波状态方程；设卡尔曼滤波状态方程f为卡尔曼滤波的状态方程的状态转移矩阵，q为随机驱动向量，根据该惯性传感器实际随机游走误差进行设定；状态量x选取手指末端的惯性传感器的误差参数；
11、以(0，0，0)作为速度真值，根据速度信息和速度真值，获得速度误差，以速度误差为量测方程中的被观测量
12、s5：根据量测方程和状态量x，通过卡尔曼滤波更新计算得到初始姿态信息(θ0',γ0',ψ0')；
13、s6：根据光纤柔性传感器的输出数据获得指关节角度信息，根据指关节角度信息，获得一个手掌上的每个手指末端坐标系至手掌坐标系的旋转矩阵a为l或r，base_l为左手手掌惯性传感器载体系，base_r为右手手掌惯性传感器载体系，五个手指指尖惯性传感器单元载体坐标系从拇指至小拇指分别为bi系，i＝1,2,3,4,5；
14、一个手掌的五个手指末端惯性传感器单元，根据初始姿态信息(θ0',γ0',ψ0')进行捷联惯导解算得出从拇指至小拇指对应载体系相对于导航系的姿态转移矩阵分别为：a为r或l，r为右手，l为左手；
15、从五个手指末端惯性传感器融合光纤传感器变换至手掌对应的姿态转移矩阵为
16、记为ti(i＝1,2,3,4,5)，根据ti(i＝1,2,3,4,5)计算五组姿态角本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统，其特征在于：包括至少一对柔性的穿戴手套(1)，穿戴手套(1)上设置有惯性传感器单元(2)、光纤柔性传感器、信号采集与处理单元(33)和无线发射模块(34)，惯性传感器单元(2)固定在穿戴手套(1)的手背位置和手指末端，穿戴手套(1)的任意相邻两个手指间、以及穿戴手套(1)的每个手指的每个指节上均固定光纤柔性传感器；
2.根据权利要求1所述的一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统，其特征在于，还包括：脚踏板控制使能模块，与信号采集与处理单元(33)连接，处理结果误差较大时，通过脚踏板单击或者双击指令，控制使能模块做出强制对准模式的使能指令或者做出异常信号断开的使能指令，信号采集与处理单元(33)接收使能指令，并将程序强制转移至初始对准模式或者程序终止；
3.权利要求1或2所述的一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统的示教方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于：所述步骤S2中，初始姿态旋转矩阵L0为当地的初始纬度，g为当地重力加速度，Ω为地球自转加速度。
5.根
6.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于：所述步骤S4中，状态量x＝[φx,φy,φz,δVx,δVy,δVz,δL,δλ,δH,εx,εy,εz,▽x,▽y,▽z]，εx,εy,εz为载体系三个坐标轴上陀螺的常值漂移，▽x,▽y,▽z为载体系三个坐标轴上加速度计的常值偏置；φx,φy,φz为载体系三个坐标轴上的失准角误差，δVx,δVy,δVz为载体系三个坐标轴上的速度误差，δL,δλ,δH为载体系三个坐标轴上的位置误差；
7.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于：所述步骤S6中，五组姿态角矩阵为：i＝1,2,3,4或5；
8.根据权利要求7所述的示教方法，其特征在于：所述步骤S6中，手指指尖的惯性传感器异常的情况判断：若i＝1,2,3,4或5，判定该手指指尖的惯性传感器异常，其中(θth,γth,ψth)为异常判断阈值。
9.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于，所述步骤S7中，根据(θBase,γBase,ψBase)和(θmulti,γmulti,ψmulti)判定手背惯性传感器数据是否异常，包括：
10.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于：所述步骤S8中，状态量x为xBase＝[φx,φy,φz,δVx,δVy,δVz,δL,δλ,δH,εx,εy,εz,▽x,▽y,▽z]，εx,εy,εz为手背惯导载体系三个坐标轴上陀螺的常值漂移，▽x,▽y,▽z为手背惯导载体系三个坐标轴上加速度计的常值偏置；φx,φy,φz为手背惯导载体系三个坐标轴上的失准角误差，δVx,δVy,δVz为手背惯导载体系三个坐标轴上的速度误差，δL,δλ,δH为手背惯导载体系三个坐标轴上的位置误差；
...【技术特征摘要】
1.一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统，其特征在于：包括至少一对柔性的穿戴手套(1)，穿戴手套(1)上设置有惯性传感器单元(2)、光纤柔性传感器、信号采集与处理单元(33)和无线发射模块(34)，惯性传感器单元(2)固定在穿戴手套(1)的手背位置和手指末端，穿戴手套(1)的任意相邻两个手指间、以及穿戴手套(1)的每个手指的每个指节上均固定光纤柔性传感器；
2.根据权利要求1所述的一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统，其特征在于，还包括：脚踏板控制使能模块，与信号采集与处理单元(33)连接，处理结果误差较大时，通过脚踏板单击或者双击指令，控制使能模块做出强制对准模式的使能指令或者做出异常信号断开的使能指令，信号采集与处理单元(33)接收使能指令，并将程序强制转移至初始对准模式或者程序终止；
3.权利要求1或2所述的一种便携式可穿戴式双手信息采集示教系统的示教方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于：所述步骤s2中，初始姿态旋转矩阵l0为当地的初始纬度，g为当地重力加速度，ω为地球自转加速度。
5.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于，所述步骤s3中，根据t计算获得多个初始的姿态角数组，并对初始的姿态角数组球平均值作为粗对准的姿态初始值，包括：根据t计算姿态角，姿态角为其中，t23为矩阵t的第二行第三列数据，t13为矩阵t的第一行第三列数据，t33为矩阵t的第三行第三列数据，t21为矩阵t的第二行第一列数据，t22为矩阵t的第二行第二列数据；
6.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于：所述步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭雅静，吕博瀚，于志远，梁斌炎，吴学斌，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：
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