[发明专利]一种人机交互操作系统

权利要求书

1.一种人机交互操作系统，其特征在于，包括：采集单元、信息处理单元、视觉交互单元、力觉交互单元、控制单元、驱动单元、动力单元和执行单元；其中，

所述采集单元，用于采集作业场景和实时作业信息，将采集的信息通过控制单元传输至信息处理单元，其中，所述作业信息包括：执行单元各关节的位姿信息；

所述信息处理单元，用于根据采集的信息、控制单元反馈的执行单元各关节实际的位姿，构建增强现实显示，并确定作业模式，根据确定的作业模式，对控制单元下发任务指令，其中，所述作业模式包括：自主作业模式和人机协同作业模式；

所述视觉交互单元，用于增强现实的显示远端作业场景和实时作业信息；

所述力觉交互单元，用于根据控制单元接收到的任务指令、执行单元末端力信息，基于力反馈，通过控制单元实时远端控制执行单元作业；

所述控制单元，用于根据信息处理单元下发的任务指令和力觉交互单元输出的期望执行单元各关节的位姿，向驱动单元下发控制指令；

所述驱动单元，用于将控制单元下发的控制指令分解为力矩和转速以驱动动力单元提供执行单元作业所需的动力；

所述执行单元，用于根据动力单元提供的动力，执行自主和人机协同两种作业模式下的作业任务；

其中，所述控制单元采用“LINUX即时核心+Embedded+PLC+EtherCAT总线”方案；

其中，所述采集单元包括：垂直陀螺仪、双目相机、激光雷达、六维力传感器和防碰撞超声波传感器；其中，

所述垂直陀螺仪，用于检测执行单元的横滚角和俯仰角，确定执行单元末端姿态信息，并将确定的执行单元末端姿态信息通过控制单元传输至信息处理单元；

所述双目相机，用于实时采集作业环境和作业目标的位置状态，并将所采集的作业环境和作业目标的位置状态通过控制单元传输至信息处理单元；

所述激光雷达，用于扫描作业环境，建立作业环境三维点云，并将建立的作业环境三维点云通过控制单元传输至信息处理单元；

所述六维力传感器，用于实时采集执行单元末端力信息，将采集到的力信息通过控制单元传输至力觉交互单元和信息处理单元；

所述防碰撞超声波传感器，用于执行单元作业过程中，实时检测执行单元与障碍物间的距离，并将距离通过控制单元传输至信息处理单元；

其中，所述力觉交互单元，采用串并联平动转动机构，具有航空钛合金构建的六自由度本体和重力补偿机制；其中，

所述串并联平动转动机构包括：Delta平动并联机构和串联转动机构；

所述六自由度本体包括：3个平动自由度和3个旋转自由度；

其中，所述信息处理单元，用于根据采集到的信息，构建增强现实显示包括：

根据采集到的信息，基于模糊遗传算法进行作业路径规划，并生成导引信息，其中，规划的作业路径包括：规划的执行单元各关节的位姿；

通过深度学习算法进行作业目标识别；

通过单字样旋转矢量法和运动学方程进行执行单元各关节位姿解算；

通过三维环境建模技术与虚拟现实无缝融合技术，将远端作业场景和实时作业信息进行增强现实显示，并增强显示作业路径规划信息、导引信息；

其中，所述信息处理单元，具体用于按照预设的环境友好性判断标准，对环境友好性进行判断，若环境友好，则采用自主作业模式；若环境恶劣或自主作业模式无法完成任务，则采用人机协同作业模式；根据采取的作业模式，对控制单元下发任务指令，并监控作业执行过程中执行单元各关节的位姿信息，直到作业任务完成，其中，所述任务指令包括：执行单元各关节位姿解算结果，路径规划信息和导引信息；

其中，所述控制单元，采用分层递阶式体系结构，具体用于基于动力学和运动学分析，建立阻抗控制机制，根据信息处理单元下发的任务指令和力觉交互单元输出的期望执行单元各关节的位姿，向驱动单元下发控制指令；

其中，所述动力单元包括：伺服电机和UPS电源；

所述伺服电机，用于为执行单元作业提供动力，控制执行单元各关节的位姿，使得执行单元完成相应作业任务；

所述UPS电源，用于为系统供电；

其中，所述力觉交互单元通过输出增强现实环境中的机械阻抗来模拟实际存在的物理交互，使操作者与增强现实环境实现了物理上的连接；

所述力觉交互单元基于力反馈的阻抗控制采用六维力传感器采集操作者的作用力，实现了力控制的闭环。