[发明专利]基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统及其使用方法

说明书

本发明公开了一种基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统及其使用方法，系统包括信号处理单元、佩戴在用户手臂上的机械手单元和肌电信号传感器、穿戴在用户手上的力反馈单元、设在机械手单元的机械手指上的力传感器；肌电信号传感器采集用户手臂表面肌电信号，力传感器采集机械手指在交互时所产生的力信号；信号处理单元在机械手指力信号不明显时，根据表面肌电信号识别用户手部动作，由此来控制机械手指做相应的动作，以及在机械手指力信号明显时控制力反馈单元对用户的手产生阻力，根据表面肌电信号强度来控制机械手单元输出对应的作用力。本发明可以给用户提供实际的交互反馈感，从而让交互过程更自然，做出的交互决策更准确。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统及其使用方法。

背景技术

如今，随着机器人技术的快速发展，机器人技术在社会各个领域的应用越来越广泛。辅助型机械手作为机器人应用的一种，可以在一些医疗、娱乐等特殊的场合起到协助作用。对于使用者而言，在使用辅助机械手在实际的场景中进行交互动作的过程中，一定的临场感是很重要的。近年来的众多研究表明，在接触作业中，70％的有效信息来自于力觉(包括触感)。因此，辅助机械手系统除了能完成位置和姿态的跟随功能以外，还应该具备一定的反馈机制。

然而，目前应用于医疗、服务的辅助型机械手的控制一般采用类型较为单一的信息源，在一些特定的情况下可能会出现精度不足、操作者学习成本大、操作体感不够自然等问题。例如在专利文件CN107598920A《一种基于视觉控制的机械手》采用了基于模式识别技术来处理图像以获取待抓取物体的特征信息和位置信息，并根据这些信息进行机械手的抓取控制，由于这种控制方式绝大部分信息都依赖于视觉信号，在一些复杂的环境下很容易产生偏差。在专利文件CN108972494A《一种仿人机械手抓取控制系统及其数据处理方法》中采用了数据手套和图像识别目标的技术来进行机械手抓取运动的控制，但这一方法所用的技术无法给予操作者较好的临场感，在实际的抓取过程中与人手直接抓取的体验感会有一定差距。

综合来看，设计一个可以综合不同种传感器信息、并且给予操作者一定反馈的辅助型机械手是具有重要意义的。

发明内容

本发明的第一目的在于解决现有技术的不足，提出一种基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统，可以有效利用不同种传感器信息，并给予用户一定的实际反馈，使得辅助机械手系统与外部环境、对象交互的过程更加自然，做出的交互决策更加准确。

本发明的第二目的在于提出一种基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统的使用方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：

一种基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统，包括可佩戴在用户手臂上的机械手单元、可穿戴在用户手上的力反馈单元、传感器单元和分别连接机械手单元、力反馈单元、传感器单元的信号处理单元；

其中，传感器单元包括肌电信号传感器和力传感器，肌电信号传感器佩戴在用户手臂上，用于采集用户手臂的表面肌电信号并发送给信号处理单元；力传感器安装在机械手单元的机械手指上，用于采集机械手指在与外部环境、对象交互时所产生的力信号并发送给信号处理单元；

信号处理单元用于在机械手指力信号小于设定阈值的情况下，根据用户手臂表面肌电信号来识别出用户手部动作，并根据所识别的用户手部动作来控制机械手指完成相应动作；用于在机械手指力信号不小于设定阈值的情况下，控制力反馈单元对用户的手产生对应的阻力来作为反馈，以提供力反馈临场感，以及根据用户手臂表面肌电信号的强度来控制机械手单元输出相应的作用力。

优选的，肌电信号传感器、力反馈单元分别通过无线方式与信号处理单元相连接；力传感器通过有线方式与信号处理单元相连接，信号处理单元通过有线方式与机械手单元中用于驱动机械手指运动的第一驱动电机相连接，有线连接所用的线缆和第一驱动电机均安装在机械手单元内。