解剖约束条件的数据手套校正及其在机械臂控制中的应用

摘要：通过对人手解剖约束条件的分析，把解剖约束条件应用于数据手套中的独立传感器和交叉―耦合传感器的校正，对校正结果进行了分析，使得数据手套能够采集到更准确的人手运动信息，并将校正后的数据手套应用到机械臂的控制中。实验表明，校正之后的数据手套能够更准确地采集信息，极大改善了机械臂控制中的精确性。

关键词：机械臂；解剖约束条件；数据手套

中图分类号：TP242.6文献标识码：A文章编号：10053824（2013）04001807

0引言

数据手套校正技术伴随着数据手套的发展而发展，国内外许多研究者也致力于对手套设备数据存在的误差进行校正，并取得了一些成果。目前应用十分广泛的CyberGlove和5DT Data Glove都为用户提供了简单的线性校正，但简单的线性校正无法满足各种复杂手势动作的需要，最为典型的一个例子是虚拟手的拇指无法和小指或无名指的指尖进行接触。Chou通过外部视觉设备采用线性回归方法，建立了从CyberGlove每个单独传感器到虚拟手关节角度的映射关系[1]，这种方法虽然能够提供高精度的虚拟手运动状态，但是它需要借助视觉设备，所以并不具有一般的推广性。与此同时，Fischer采用机器人立体视觉系统计算人手指尖三维空间位置，记录用手套得到的对应手指关节角度[2]，采用神经网络方法预测实际指尖位置，把平均精度提高到0.2 mm，但机器人立体视觉系统只有4个手指，也限制了这种方法的推广。Turner和Griffin仅利用数据手套的手指自由度间的对应关系建立虚拟手运动模型，采用最小二次线性回归方法校正手套数据[3]。Menon通过收集不同手势的数据手套关节自由度数据[4]，也是采用线性回归方法建立传感器数据与手势数据值间的映射关系，但他没有处理传感器之间存在的交叉耦合关系，只是单纯地对所有的传感器都采用线性处理方法。结合上述对各种数据手套数据误差校正方法，再根据数据手套的设计原理，本文提出了一种新的数据手套的校正方法：基于解剖约束条件的数据手套校正方法。

1基于解剖约束条件的数据手套校正

1.1解剖约束条件

通过数据手套获得人手的运动信息后，要将人手的运动信息映射到机械手臂上去，有两方面的问题需要解决[5]：一是应通过数据手套获得相对精确的人手运动信息，从而满足远程操作机械臂的精度要求；二是寻找合适的映射方法，把人手的运动信息转换为机械臂的运动，从而实现对机械臂的遥操作。本文针对第一个问题进行了研究，在分析人手解剖约束条件的基础上，提出了基于解剖约束条件的数据手套校正方法，其主要目的是根据人手解剖约束条件对数据手套中的独立传感器和交叉―耦合传感器进行校正，从而获得相对精确的人手运动信息。在正常情况下，人手各关节的自然运动是受到约束的，人手的运动必须符合正常手的运动范围约束，手指的运动受到关节、骨骼、肌腱和肌肉等的条件约束限制；另一方面，由于数据手套的本身的限制，手套中的传感器设备无法测量手的每个关节和每个自由度，再加上数据手套采集到的数字信息还存在正确性和精确性的问题，从这些约束条件出发，对数据手套进行校正，能够有效地弥补手套设备的不足。从手指的运动角度来分析，手指的运动会受到静态和动态2种约束[6]，静态约束是指在解剖结构的限制下，手指做出不同手势时各关节自由活动所能达到的角度的最大运动范围，包括静态角度和动态角度。静态角度是指当手处在某种手势状态下角度的最大运动范围，动态角度指的是手指关节自由度在受到相邻手指自由度影响下，人手运动过程中处于某种特定的手势状态下时所能达到的运动范围。

5）中指的MPJ关节的内收/外展角度可忽略，即有：abd（θ中指MPJ）=0（9）手指运动除了受到静态约束外，还受到动态约束。动态约束指的是在手运动过程中，运动角度因为关节之间相互影响而受到的限制约束，这种约束包括单个手指各关节之间的运动约束以及不同手指不同关节之间存在的运动约束。例如，当中指的MPJ关节屈曲时，中指的PIJ关节和DIJ关节也会发生一定程度的屈曲，这种现象就是单个手指各个关节之间存在的运动约束，与此同时，与中指相邻的食指和无名指的MPJ关节也会发生一定程度的屈曲，同时这2根手指的内收/外展角度也会发生变化相应的变化，这种现象就是不同手指不同关节之间的运动约束。

1.2基于解剖约束条件的独立传感器校正方法

基于解剖约束条件的数据手套校正方法的实质是利用相关的解剖约束条件来具体分析手套中独立传感器和交叉耦合传感器，对其测量得到的数据采用不同的校正方法进行校正，使之满足控制系统的需要。

独立传感器是指该传感器的取值不受到其他传感器读数影响的传感器，一般认为4个手指的MPJ、PIJ及DIJ关节的屈曲/延展自由度，还有拇指IJ和TMJ关节的屈曲/延展自由度这些关节所对应的传感器为独立传感器。

对于独立传感器的校正，本文还是采取了常规的线性校正方法。我们结合上节中根据解剖结构得到的手指各关节实际运动时的最大和最小角度值，再根据采集到的传感器读数的最大值和最小值，我们建立了如下的线性映射关系：θout=Valueout-ValueminValuemax-Valuemin×（θmax-θmin）+θmin（16）式中θout为校正后的输出角度值，Valueout为当前电压输出值，Valuemin为手指不运动时的电压值，Valuemax为手指弯曲到最大角度时的电压值，θmax和θmin对应关节自由度实际运动范围的最大和最小角度值。

1.3基于解剖约束条件的交叉耦合传感器校正方法

交叉―耦合传感器是指在2个或者2个以上的传感器中，当其中一个传感器的读数发生变化时，与它相邻的其他传感器读数也发生相应变化的传感器，这种交叉―耦合现象一般发生在相邻的传感器之间，4个手指的MPJ关节处的内收/外展自由度中最容易发生这种现象。