[发明专利]一种基于骨骼节点信息的交互式机械臂控制方法

权利要求书

1.一种基于骨骼节点信息的交互式机械臂控制方法，其特征在于采用空间向量法计算出操控人员肘关节、腕关节以及肩关节的转动角度，使用限幅加权滑动平均滤波算法对各转动角度进行滤波处理；并将经滤波处理的转动角度转化为对应控制指令的传入参数，根据所述控制指令控制机械臂；

所述方法具体包括如下步骤：

步骤1)骨骼信息采集：通过Kinect红外发射器向操控人员投射近红外线，红外相机接收反射回来的红外光线，计算光线发射和反射时间差，采用时间片技术测量人体距离，生成深度图像流，通过所述深度图像流提取各个关节点，获得骨骼坐标信息；

步骤2)坐标中心化和归一化：将人体颈部骨骼点和脊椎骨骼点之间的长度作为标准长度，对骨架中的所有节点进行归一化处理；

步骤3)坐标映射与空间向量：根据对机械臂舵机控制的需求，以O为原点建立三维坐标系，选择右腕关节点W(w_x,w_y,w_z)、右肘关节点E(e_x,e_y,e_z)、右肩关节点S(s_x,s_y,s_z)，将三个关节点的坐标信息转换为空间向量SO、SE、ES、EW，并表征肘关节、腕关节、肩关节的转动角度分别为α、β和θ；

步骤4)计算肩关节的转动角度θ、腕关节的转动角度β以及肘关节的转动角度α；

步骤5)对肩关节、腕关节、肘关节的转动角度进行滤波：采用限幅加权滑动平均滤波算法，对每个队列中的关节转动角度赋予不同的权值，再求加权平均值，得到最终估值；

步骤6)交互式控制：将计算出的人体肩、肘关节转动角度值拟合成控制指令的传入参数，将控制指令的传入参数与各个舵机的脉冲宽度调制值形成映射，控制机械臂响应；记录机械臂随人体手臂运动的数据，完成动作复现；

所述步骤6)中将计算出的人体肩、肘关节转动角度值拟合成控制指令的传入参数；采用中断查询接收的方式从串口接收数据并控制六自由度机械臂；各个角度值对应各个舵机的PWM值，机械臂的张开角度以90°为参考点，当张开角度小于30°时，角度值和PWM的给定值构成三次曲线；当张开角度大于30°时，将角度值和PWM的给定值构成一次函数，并且为保证连续，规定在两个临界点的数值相等。

2.根据权利要求1所述的基于骨骼节点信息的交互式机械臂控制方法，其特征在于所述步骤3)中以O为原点建立三维坐标系，选择右腕关节点W(w_x,w_y,w_z)、右肘关节点E(e_x,e_y,e_z)、右肩关节点S(s_x,s_y,s_z)，将三个关节点的坐标信息转换为空间向量SO、SE、ES、EW。

3.根据权利要求1所述的基于骨骼节点信息的交互式机械臂控制方法，其特征在于所述步骤4)中计算肩关节的转动角度θ时，将操控人员的右肩关节点S和右肘关节点E连线并延长至x轴，与x轴负向的夹角为90°-θ，根据式(1)计算肩关节的转动角度

θ＝90°-arctan((s_y-e_y)/(e_x-s_x)) (1)。

4.根据权利要求1所述的基于骨骼节点信息的交互式机械臂控制方法，其特征在于所述步骤4)中计算转动角度β时，β为向量SE和向量SO的夹角，SE＝(e_x-s_x,e_y-s_y,e_z-s_z)，SO＝(s_x,s_y,s_z)，根据式(2)计算角度β