[发明专利]一种基于手臂姿态的非接触式挖机臂操控系统及操控方法

说明书

本发明公开了一种基于手臂姿态的非接触式挖机臂操控系统及操控方法，包括感知模块、通讯模块、解析模块以及控制模块；通过可穿戴设备自行采集操作者手臂姿态并据其运动姿态完成对挖掘机臂的跟踪控制，最终对挖机臂实现非接触式手臂仿形控制。针对于挖掘机的作业特点，在实际操作过程中，通过操作者手臂姿态非接触式的控制挖掘机操作，保障了操作者人身安全，降低了挖掘机操作难度。操作者不受场地限制，在操作过程中可静止站在一处或自由移动。

技术领域

本发明属于工程机械领域，涉及一种基于手臂姿态的非接触式挖机臂操控系统。

背景技术

挖掘机是一种常用的工程机械装置，被应用在各种工程领域，但一些实际的生产场合及施工环境越来越不适合操作者在车上手控操作挖机，如抢险救灾、危房拆除、垃圾清理等危险及环境恶劣的场合。此外，传统挖掘机操作模式需要操作者接受较长时间的培训及实践，培训成本高、周期长。

传统的挖掘机操控方式要求操作者在挖掘机驾驶室内的固定的位置上，通过操纵左右手柄操纵挖掘机臂作业。操作过程中操纵者不能移动自身位置，操纵灵活性有限，同时感知挖机周围工况存在一定的盲区。为了实现铲斗的特定位姿，操纵者还需要同时考虑动臂、斗杆、铲斗和回转机构的复合运动，熟练的操作往往需要较长时间的培训及实践，不能马上上手，操控易用性有待提高。

手臂姿态需要专门的设备进行手臂姿态捕捉，现有的运动捕捉设备按照实现原理分为两类，一类是光学运功捕捉设备，另一类是惯性运动捕捉设备。目前运动捕捉设备多应用于动画及游戏制作、模拟训练、人体工程学研究等非工程机械领域。其中，专利CN107214679 A描述了一种通过Kinect硬件，基于光学图像的感知方法控制一个机械臂，其缺点是：只适用于光线比较好的场景，而工程场景几乎在室外且光线环境复杂，并且有夜间操纵的需求。对于实际挖掘工程场景的应用欠缺考虑。专利CN 107336233 A提出了一种基于惯性动捕的人-机器人虚实交互控制系统来实现机械臂的控制，其缺点是：采用了大量惯性测量单元，在每个传感器相同故障率前提下，传感器越多整个系统故障概率越大，所以，维护不便；并且节点之间通过有线连接，便携性不佳，影响操纵者使用体验，对于实际挖掘工程场景的应用欠缺考虑。

另外，这些专利大多面向普适的机械臂设计，对于工程机械领域尤其对挖掘机及其作业需求欠缺针对性考虑，挖掘机作业的核心是对铲斗位姿的控制，另外，有各个机构单独运动的需求，这些专利没有在这些运动方式上进行针对性的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：

本发明的目的是公开一种基于手臂姿态的非接触式挖机臂操控系统及操控方法，在实际操作过程中，通过操作者手臂姿态非接触式的控制挖掘机操作，保障操作者人身安全，降低挖掘机操作难度。

本发明采用的技术方案：

一种基于手臂姿态的非接触式挖机臂操控系统，其特征在于，包括感知模块、通讯模块、解析模块以及控制模块；

所述的感知模块，包括设置在操作者手臂上的可穿戴传感器，用于采集操作者手臂部位空间位姿角信息；

所述通讯模块，用于操作者身上的可穿戴传感器与挖掘机上解析模块间的无线通信；

所述解析模块，用于接收并解析由通讯模块发送过来的可穿戴传感器的信息，对手臂的姿态实现系统功能模式解析及跟踪姿态的操纵解析；

所述控制模块，接收解析模块发送来的各执行机构当前实际角度及目标运动角度，跟踪控制挖掘机臂作相应的动作。

进一步地，所述解析模块包含两个子模块，分别为模式解析模块和操纵解析模块；

所述模式解析模块，对操作者手臂姿态进行识别，判断当前的系统功能模式；