本發(fā)明涉及手頭控制領(lǐng)域，特別是一種鴨蹼式氣動(dòng)手套及其手部鏡像控制方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)手功能機(jī)器人大多為機(jī)械結(jié)構(gòu)，穿戴舒適性較差，而且一般為了控制較為便捷一般選擇將輔助力施加在手指遠(yuǎn)端，只能對(duì)手指遠(yuǎn)端臨近的關(guān)節(jié)提供有限的控制，手指運(yùn)動(dòng)維度單一，缺少并指運(yùn)動(dòng)，且容易出現(xiàn)反常的手部運(yùn)動(dòng)形式；現(xiàn)有氣動(dòng)手套存在機(jī)械設(shè)計(jì)缺陷，傳統(tǒng)多段式氣囊采用如塑料連接條的硬質(zhì)支撐件，充氣時(shí)易對(duì)掌指關(guān)節(jié)和指間關(guān)節(jié)造成局部壓迫，同時(shí)也依賴外部真空泵和電磁閥控制，充氣速率與壓力調(diào)節(jié)精度不足。傳統(tǒng)鏡像療法僅依賴平面鏡反射，缺乏三維動(dòng)作捕捉和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量化，只能識(shí)別特定手勢(shì)進(jìn)行手指運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，無法區(qū)分手指關(guān)節(jié)的動(dòng)作差異，導(dǎo)致被動(dòng)手動(dòng)作與主動(dòng)手鏡像軌跡偏差較大；用戶被動(dòng)接受視覺刺激，未整合生物信號(hào)反饋以增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)意圖驅(qū)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種鴨蹼式氣動(dòng)手套及其手部鏡像控制方法，以期能采用更加安全的手套氣囊技術(shù)來控制手指的并指、張開、閉合，并能有效識(shí)別手指動(dòng)作軌跡，從而能提高手部運(yùn)動(dòng)控制精度以及準(zhǔn)確性。

2、本發(fā)明為達(dá)到上述發(fā)明目的，采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明一種鴨蹼式氣動(dòng)手套的特點(diǎn)在于，包括：手套本體、壓力傳感器、肌電傳感器、氣囊、單片機(jī)、電磁閥；

4、在所述手套本體的五指指尖分別設(shè)置有壓力傳感器以及肌電傳感器；

5、在所述手套本體的五指之間以及手掌中心處分別設(shè)置有氣囊，每個(gè)氣囊分別通過電磁閥與真空泵的氣源連通或斷開；

6、所述單片機(jī)根據(jù)壓力傳感器以及肌電傳感器采集的手指壓力、彎曲角度和肌電信號(hào)，控制所述電磁閥的啟閉，以控制氣囊的充氣或放氣。

7、本發(fā)明一種基于所述的鴨蹼式氣動(dòng)手套的手部鏡像控制方法的特點(diǎn)在于，是按如下步驟進(jìn)行：

8、步驟1、初始化鴨蹼式鏡像充氣手套的各關(guān)節(jié)角度，包括：所述鴨蹼式鏡像充氣手套的拇指掌指關(guān)節(jié)呈伸直一百八十度角，四指掌指關(guān)節(jié)呈伸直一百八十度角，四指近指骨間關(guān)節(jié)呈伸直一百八十度角，四指遠(yuǎn)指骨間關(guān)節(jié)呈伸直一百八十度角；

9、步驟2、選定手部鏡像控制的主動(dòng)手和被動(dòng)手，并使得被動(dòng)手戴上初始化后的鴨蹼式氣動(dòng)手套，主動(dòng)手放至雙目攝像頭所在的識(shí)別位置處；

10、步驟3、當(dāng)主動(dòng)手進(jìn)行手部運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙目攝像頭采集主動(dòng)手的圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理后，提取主動(dòng)手的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，以實(shí)時(shí)捕捉主動(dòng)手的手指運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)節(jié)彎曲角度；

11、步驟4、通過實(shí)時(shí)曲線圖和三維可視化圖形對(duì)所述主動(dòng)手的手指運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)節(jié)彎曲角度進(jìn)行展示，以實(shí)時(shí)顯示主動(dòng)手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

12、步驟5、對(duì)主動(dòng)手的手指運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)節(jié)彎曲角度進(jìn)行鏡像處理以及三維建模，得到主動(dòng)手的鏡像動(dòng)作軌跡；

13、步驟6、被動(dòng)手開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，鴨蹼式氣動(dòng)手套獲取被動(dòng)手的手指壓力、彎曲角度和肌電信號(hào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維建模處理，得到被動(dòng)手的手指動(dòng)作軌跡和指尖壓力；

14、步驟7、將主動(dòng)手的鏡像動(dòng)作軌跡和被動(dòng)手的手指動(dòng)作軌跡進(jìn)行比較，得到兩者的屈曲和伸展程度以及指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差，其中，所述指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差包括角度誤差與間距誤差；

15、步驟8、根據(jù)兩者的屈曲和伸展程度以及指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差，并控制真空泵向鴨蹼式氣動(dòng)手套的氣囊充氣或放氣，使得鴨蹼式氣動(dòng)手套的各關(guān)節(jié)角度達(dá)到主動(dòng)手的鏡像動(dòng)作軌跡，其中，由掌心的氣囊控制手部屈曲或伸展，五指間的四個(gè)氣囊同時(shí)控制五指的分開或并攏。

16、進(jìn)一步的，所述步驟7中包括：

17、步驟7.1、分別標(biāo)記主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡與被動(dòng)手運(yùn)動(dòng)軌跡中的手指關(guān)鍵點(diǎn)，包括：手腕關(guān)節(jié)、四指掌指關(guān)節(jié)、拇指掌指關(guān)節(jié)、拇指近指骨間關(guān)節(jié)、拇指尖、四指近指骨間關(guān)節(jié)、四指遠(yuǎn)指骨間關(guān)節(jié)、四指指尖；

18、步驟7.2、獲取主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡中拇指指掌關(guān)節(jié)、四指掌指關(guān)節(jié)分別與手腕關(guān)節(jié)之間的連線mbact,1，mbact,2，mbact,3，mbact,4，mbact,5，拇指掌指關(guān)節(jié)與拇指近指骨間關(guān)節(jié)之間的連線ppact,1，以及四指近指骨間關(guān)節(jié)分別與對(duì)應(yīng)四指掌指關(guān)節(jié)之間的連線ppact,2、ppact,3、ppact,4、ppact,5，并計(jì)算mbact,1，mbact,2，mbact,3，mbact,4，mbact,5分別與一一對(duì)應(yīng)的ppact,1、ppact,2、ppact,3、ppact,4、ppact,5之間的手指運(yùn)動(dòng)夾角θact,1、θact,2、θact,3、θact,4、θact,5；

19、獲取主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡中拇指掌指關(guān)節(jié)與拇指近指骨間關(guān)節(jié)之間的連線ppact,1，以及拇指近指骨間關(guān)節(jié)與拇指尖的連線dpact,1，并計(jì)算ppact,1與dpact,1之間的手指運(yùn)動(dòng)夾角θact，6；

20、獲取主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡中四指近指骨間關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)分別與對(duì)應(yīng)四指遠(yuǎn)指骨間關(guān)節(jié)之間的連線mpact,2，mpact,3，mpact,4，mpact,5以及四指近指骨間關(guān)節(jié)分別與對(duì)應(yīng)四指掌指關(guān)節(jié)之間的連線ppact,2、ppact,3、ppact,4、ppact,5，并計(jì)算mpact,2，mpact,3，mpact,4，mpact,5分別與一一對(duì)應(yīng)的ppact,2、ppact,3、ppact,4、ppact,5之間的手指運(yùn)動(dòng)夾角θact,7、θact,8、θact,9、θact,10；

21、獲取主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡中四指近指骨間關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)與對(duì)應(yīng)四指遠(yuǎn)指骨間關(guān)節(jié)之間的連線mpact,2，mpact,3，mpact,4，mpact,5以及四指遠(yuǎn)指骨間關(guān)節(jié)分別與對(duì)應(yīng)四指指尖之間的連線dpact,2、dpact,3、dpact,4、dpact,5，并計(jì)算mpact,2，mpact,3，mpact,4，mpact,5分別與一一對(duì)應(yīng)的dpact,2、dpact,3、dpact,4、dpact,5之間的手指運(yùn)動(dòng)夾角θact,11、θact,12、θact,12、θact,14；

22、從而構(gòu)建主動(dòng)手的角度誤差集合θact={θact,i|?i?=1,2,3,…,14}，其中，θact,i表示主動(dòng)手的第i個(gè)手指運(yùn)動(dòng)夾角；

23、步驟7.3、按照步驟7.2的過程得到被動(dòng)手的角度誤差集合θpas={θpas,i?|?i?=1,2,3,…,14}，其中，θpas,i表示被動(dòng)手的第i個(gè)手指運(yùn)動(dòng)夾角；

24、步驟7.4、計(jì)算第i個(gè)手指運(yùn)動(dòng)夾角的運(yùn)動(dòng)角度誤差δθi?=θact,i-θpas,i；

25、步驟7.5、分別標(biāo)記主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡與被動(dòng)手運(yùn)動(dòng)軌跡中的手指關(guān)鍵點(diǎn)，包括：拇指近指骨間關(guān)節(jié)、食指近指骨間關(guān)節(jié)、中指近指骨間關(guān)節(jié)、無名指近指骨間關(guān)節(jié)、小拇指近指骨間關(guān)節(jié)、食指掌指關(guān)節(jié)；

26、步驟7.6、獲取主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡中的食指近指骨間關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)與中指近指骨間關(guān)節(jié)之間的指縫間距dact,1；

27、獲取主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡中的中指近指骨間關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)與無名指近指骨間關(guān)節(jié)之間的指縫間距dact,2；

28、獲取主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡中的無名指近指骨間關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)與小指近指骨間關(guān)節(jié)之間的指縫間距dact,3；

29、獲取主動(dòng)手鏡像運(yùn)動(dòng)軌跡中的拇指近指骨間關(guān)節(jié)與食指掌指關(guān)節(jié)之間的指縫間距dact,4；

30、從而構(gòu)建主動(dòng)手的間距誤差集合dact={dact,j|?j=1,2,3,4}，其中，dact,j表示主動(dòng)手的第j個(gè)指縫間距編號(hào)，j=1,2,3,4；

31、步驟7.7、按照步驟7.6的過程得到被動(dòng)手的間距誤差集合dpas={dpas,j?|?j=1,2,3,4}，其中，dpas,j?表示被動(dòng)手的第j個(gè)指縫間距編號(hào)，j=1,2,3,4；

32、步驟7.6、計(jì)算第j指指縫的運(yùn)動(dòng)間距誤差δdj?=dact,j?-dpas,j。

33、進(jìn)一步的，所述步驟8中根據(jù)兩者的屈曲和伸展程度以及指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差，按如下過程控制真空泵向鴨蹼式氣動(dòng)手套的氣囊充氣或放氣；

34、若?δθi>0，則控制掌心氣囊放氣，使得被動(dòng)手一步屈曲；

35、若?δθi<0，則控制掌心氣囊充氣，使得被動(dòng)手進(jìn)一步伸展，

36、若?δθi=0，則不對(duì)掌心氣囊進(jìn)行控制，以保持被動(dòng)手的當(dāng)前狀態(tài)；

37、若?δd?j>0，則控制五指之間的四個(gè)氣囊充氣；

38、若δdj<0，則控制五指之間四個(gè)氣囊放氣；

39、若δdj=0，則不控制五指之間的四個(gè)氣囊。

40、本發(fā)明一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器以及處理器的特點(diǎn)在于，所述存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)支持處理器執(zhí)行所述的手部鏡像控制方法的程序，所述處理器被配置為用于執(zhí)行所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的程序。

41、本發(fā)明一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序的特點(diǎn)在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器運(yùn)行時(shí)執(zhí)行所述的手部鏡像控制方法的步驟。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

43、1、傳統(tǒng)手部控制機(jī)器人大多為機(jī)械結(jié)構(gòu)，穿戴舒適性較差，而且一般為了控制較為便捷一般選擇將輔助力施加在手指遠(yuǎn)端，只能對(duì)手指遠(yuǎn)端臨近的關(guān)節(jié)提供有限的控制。本發(fā)明相較于現(xiàn)有的液壓桿技術(shù)，采用更加安全的氣囊技術(shù)，通過氣囊充氣膨脹使手指并指、張開、閉合，拓展了運(yùn)動(dòng)維度，減少了對(duì)被動(dòng)手傷害的發(fā)生。

44、2、傳統(tǒng)手部鏡像僅依賴平面鏡反射，用戶被動(dòng)接受視覺刺激，未整合生物反饋，缺乏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的量化，本發(fā)明的手部鏡像可以區(qū)分手指關(guān)節(jié)的細(xì)微動(dòng)作差異并獲取主動(dòng)手和被動(dòng)手的運(yùn)動(dòng)軌跡，形成有效的比較和誤差記錄；與常見的手部鏡像訓(xùn)練相比，拓展了運(yùn)動(dòng)維度，通過訓(xùn)練手指的手指并指、張開與閉合提高了手指的運(yùn)動(dòng)效率。