一種基於數據手套的實時操作仿真方法、裝置及系統與流程
2023-04-30 12:03:21 1
本發明涉及數據仿真技術領域，特別涉及一種基於數據手套的實時操作仿真方法、裝置及系統。
背景技術：
仿人假肢手以其與人手極相似的外觀與越來越靈活的功能，逐漸成為目前上肢假肢研究與開發的熱點，仿人假肢手的研究給殘疾人帶來了提高生活品質的機會，也成為解決上肢，尤其是手部截肢這一社會問題的重要研究思路。
人手擁有超過22個的自由度，遠比普通工業上的6軸機器人複雜，人手的控制算法也相應的具有很高的複雜性，不論是抓握控制還是抓握規劃，都不能用常用的算法解決。為了方便控制算法的開發，以及讓研究者能夠實時地看到算法的結果，並且在不需要假肢手實物的情況下也能進行仿真測試(通常而言，假肢手的研發成本非常高昂，實物系統的售價也是極其高)，採用仿真系統，可以在不需要實物的情況下就進行算法的開發與仿真。
目前研究人手運動特性、捕捉人手運動的運動學參數主要通過數據手套與機器視覺來實現。使用機器視覺——運動捕捉系統進行人手笛卡爾空間運動學數據的捕捉有個難以克服的問題：那就是數據點的丟失，尤其在研究人手抓握時。因為運動捕捉系統依賴於發光標記點，只有當發光標記點被攝像頭的感光器「看」時，才能記錄有效數據，而由於人手運動結構複雜而且佔空間相對較小，採用運動捕捉系統時需要在手上貼多達幾十個標記點，而人手抓握時不可避免的會有部分標記點背對攝像頭，造成數據的不完整，使得利用運動捕捉系統研究人手的運動變得十分困難。而數據手套可以克服以上問題，不會存在丟點丟幀的情況，但是數據手套的使用需要進行標定，而且數據手套由於空間的限制往往不能提供完全比擬人手的自由度。
目前基於數據手套或者運動捕捉系統的虛擬模型仿真都有一個共同的缺陷，那就是模型與算法的仿真只是純軟體上仿真，而沒有考慮算法在真正的物理系統上運行時的問題，該問題涉及硬體仿真。更具體的，對於機械手的控制算法的開發，不但要考慮算法本身的正確性，還要考慮算法的嵌入式硬體可實現性，以及算法在嵌入式硬體上運行時的實時性問題。
公開於該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於數據手套的實時操作仿真方法、裝置及系統，從而克服現有運動捕捉系統的虛擬模型仿真的真實度較低的缺陷。
本發明實施例提供的一種基於數據手套的實時操作仿真方法，包括：獲取數據手套實時採集的原始數據，所述原始數據包括m個自由度的原始子數據；根據採集的所述原始數據實時更新不同的原始子數據的最大值和最小值，所述原始子數據的最大值和最小值確定的原始讀數範圍與相對應的關節角的實際運動範圍之間為映射關係；根據m個自由度的原始子數據和所述映射關係分別確定m個自由度的第一角度值；將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，且n＞m；根據n個自由度的所述第二角度值實時仿真顯示機械手臂。
在一種可能的實現方式中，所述根據m個自由度的原始子數據分別確定m個自由度的第一角度值，包括：確定第i個自由度相對應的所述實際運動範圍的區間值max[i]，i＝1,2,……,m；根據當前獲取的第i個自由度的原始子數據、以及該原始子數據的最大值和最小值確定第i個自由度的第一角度值：其中，x為第i個自由度的當前獲取的原始子數據，rawmax[i]為該原始子數據的最大值，為該原始子數據的最小值rawmin[i]。
在一種可能的實現方式中，所述將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，包括：設置近指節的運動角和遠指節的運動角之間的角度比例關係；根據m個自由度的第一角度值確定多個近指節的運動角，並根據所述角度比例關係和近指節的運動角確定相對應的遠指節的運動角；根據m個自由度的第一角度值確定大拇指的外展運動角，並根據所述大拇指的外展運動角確定大拇指腕掌關節屈伸運動角。
在一種可能的實現方式中，m＝14，n＝20。
基於同樣的發明構思，本發明實施例提供的一種基於數據手套的實時操作仿真系統，包括：數據手套、上位機和下位機；所述數據手套與所述上位機相連，所述上位機與所述下位機之間建立通信連接；所述數據手套用於採集人手各關節運動的原始數據，並將所述原始數據發送至上位機，所述原始數據包括m個自由度的原始子數據；所述上位機接收所述數據手套上傳的原始數據，將所述原始數據轉換為整形數據後傳輸至下位機；所述下位機用於接收所述上位機傳輸的數據手套的原始數據，並在用戶操作的全過程中動態地對數據手套進行標定，實時更新不同的原始子數據的最大值和最小值，所述原始子數據的最大值和最小值確定的原始讀數範圍與相對應的關節角的實際運動範圍之間為映射關係；根據m個自由度的原始子數據和所述映射關係分別確定m個自由度的第一角度值；將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，且n＞m；之後將n個自由度的第二角度值發送給上位機；所述上位機接收到所述第二角度值後，根據n個自由度的所述第二角度值實時仿真顯示機械手臂。
基於同樣的發明構思，本發明實施例提供的一種基於數據手套的實時操作仿真裝置，包括：獲取模塊，用於獲取數據手套實時採集的原始數據，所述原始數據包括m個自由度的原始子數據；更新模塊，用於根據採集的所述原始數據實時更新不同的原始子數據的最大值和最小值，所述原始子數據的最大值和最小值確定的原始讀數範圍與相對應的關節角的實際運動範圍之間為映射關係；確定模塊，用於根據m個自由度的原始子數據和所述映射關係分別確定m個自由度的第一角度值；擴展模塊，用於將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，且n＞m；仿真模塊，用於根據n個自由度的所述第二角度值實時仿真顯示機械手臂。
在一種可能的實現方式中，所述確定模塊包括：
確定單元，用於確定第i個自由度相對應的所述實際運動範圍的區間值max[i]，i＝1,2,……,m；
計算單元，用於根據當前獲取的第i個自由度的原始子數據、以及該原始子數據的最大值和最小值確定第i個自由度的第一角度值：
其中，x為第i個自由度的當前獲取的原始子數據，rawmax[i]為該原始子數據的最大值，為該原始子數據的最小值rawmin[i]。
在一種可能的實現方式中，所述擴展模塊包括：設置單元，用於設置近指節的運動角和遠指節的運動角之間的角度比例關係；第一擴展單元，用於根據m個自由度的第一角度值確定多個近指節的運動角，並根據所述角度比例關係和近指節的運動角確定相對應的遠指節的運動角；第二擴展單元，用於根據m個自由度的第一角度值確定大拇指的外展運動角，並根據所述大拇指的外展運動角確定大拇指腕掌關節屈伸運動角。
在一種可能的實現方式中，m＝14，n＝20。
本發明實施例提供的一種基於數據手套的實時操作仿真方法、裝置及系統，實時採集數據手套的原始數據，並根據原始數據的原始讀數範圍與實際運動範圍之間的映射關係確定第一角度值，並對第一角度值執行擴展處理，提高了自由度的數量，將5dt數據手套測量的14個自由度的運動角來完全控制20個自由度的機械手臂的仿真模型，使得機械手臂的仿真運動與真正物理系統的運動更加相符，可以提高真實度。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
附圖說明
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：
圖1為本發明實施例中基於數據手套的實時操作仿真方法的流程圖；
圖2為本發明實施例中數據手套的示意圖；
圖3為本發明實施例中處理原始數據的方法流程圖；
圖4為本發明實施例中基於數據手套的實時操作仿真系統的第一結構圖；
圖5為本發明實施例中基於數據手套的實時操作仿真系統的第二結構圖；
圖6為本發明實施例中基於數據手套的實時操作仿真裝置的結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細描述，但應當理解本發明的保護範圍並不受具體實施方式的限制。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權利要求書中，術語「包括」或其變換如「包含」或「包括有」等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而並未排除其它元件或其它組成部分。
在這裡專用的詞「示例性」意為「用作例子、實施例或說明性」。這裡作為「示例性」所說明的任何實施例不必解釋為優於或好於其它實施例。
另外，為了更好的說明本發明，在下文的具體實施方式中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員應當理解，沒有某些具體細節，本發明同樣可以實施。在一些實例中，對於本領域技術人員熟知的方法、手段、元件未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。
根據本發明實施例，提供了一種基於數據手套的實時操作仿真方法，圖1為該方法的流程圖，具體包括步驟101-103：
步驟101：獲取數據手套實時採集的原始數據，原始數據包括m個自由度的原始子數據。
本發明實施例中，數據手套用於採集與手指關節運動狀態相關的原始數據。具體的，該數據手套可以選用5dt數據手套(5dtdatagloveultra14sensorgloves)，其結構參見圖2所示，其主要參數包括：數據手套主體採用黑色合成彈力纖維；數據手套中集成了a/d電路模塊，傳感器的a/d採集精度為12位；所用傳感器基於纖維光學，總共有14個傳感器，即m＝14，自由度為14。傳感器的具體分布參見圖2所示，傳感器所測角度的描述如下表1所示：
表1
步驟102：根據採集的原始數據實時更新不同的原始子數據的最大值和最小值，原始子數據的最大值和最小值確定的原始讀數範圍與相對應的關節角的實際運動範圍之間為映射關係。
本發明實施例中，原始數據包括m個自由度的原始子數據，以5dt數據手套為例，用戶帶上數據手套後，
需要實時獲取14個傳感器採集的原始子數據，該原始子數據可以用於表示該傳感器對應的指關節的運動角度。同時，需要確定數據手套採集的m個自由度的原始子數據的最大值和最小值，具體的，首先設置當前自由度下原始子數據的初始最大值(比如為0)和初始最小值(比如10000)，之後當採集到該自由度的原始子數據時，將採集的原始子數據與當前的最大值和最小值(最開始為初始最大值和初始最小值)進行比較，若該原始子數據大於當前的最大值，則將該採集的原始子數據作為新的最大值；若該原始子數據小於當前的最小值，則將該採集的原始子數據作為新的最小值；若該原始子數據位於當前最大值和最小值之間，則最大值和最小值保持不變。例如，用戶帶上數據手套後，用戶首先大角度的執行抓握手勢，以更新最大值和最小值，之後即可以正常使用數據手套，內實時檢查採集到的原始子數據是否可以作為新的最大值或最小值。
同時，對於不同的自由度，本發明實施例中預設相對應的實際運動範圍，該實際運動範圍用於限定機械手模型各個關節的角度範圍。例如，對於除去拇指外的四指，掌指關節兩指之間的外展自由度的實際運動範圍為0～20度，掌指關節的屈伸自由度的實際運動範圍為-20～110度，近指節與遠指節的屈伸自由度的實際運動範圍均為0～90度；對於大拇指，腕掌關節的外展運動的實際運動範圍為0～45度，屈伸運動的實際運動範圍為0～90度，掌指關節與指間關節的屈伸運動的實際運動範圍為0～90度。同時，原始子數據的最大值和最小值可以確定原始讀數範圍，例如對於食指近指間關節的屈伸自由度，其實際運動範圍為0～90度，若採集的原始子數據的最小值為10，最大值為1000，則該原始讀數範圍即為10～1000，兩個範圍之間為映射關係，前者的最大值映射後者的最大值，前者的最小值映射後者的最小值，且前者的其他值也與後者的某一個值一一映射，從而根據該映射關係即可以確定當前採集的原始子數據相對應的實際角度。
步驟103：根據m個自由度的原始子數據和映射關係分別確定m個自由度的第一角度值。
步驟104：將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，且n＞m。
如上所述，根據該映射關係即可以確定當前採集的原始子數據相對應的實際角度，即第一角度值，進而對該第一角度進行擴展處理，可以從m個自由度擴展為n個自由度。具體的，數據手套不能採集遠指節的角度數據，故可以根據採集到的近指節的角度數據來確定遠指節的角度數據，從而實現自由度的擴展。
步驟105：根據n個自由度的第二角度值實時仿真顯示機械手臂。
根據n個自由度的第二角度值即可以實時設置並更新機械手臂的運動參數，從而可以實時仿真顯示機械手臂。
本發明實施例提供的一種基於數據手套的實時操作仿真方法，實時採集數據手套的原始數據，並根據原始數據的原始讀數範圍與實際運動範圍之間的映射關係確定第一角度值，並對第一角度值執行擴展處理，提高了自由度的數量，使得機械手臂的仿真運動與真正物理系統的運動更加相符，可以提高真實度。
本發明另一實施例提供了一種基於數據手套的實時操作仿真方法，包括圖1所示的步驟101-105，其實現原理和有益效果參考圖1所示的實施例。此外，本發明實施例中，步驟103「根據m個自由度的原始子數據分別確定m個自由度的第一角度值」具體包括步驟a1-a2：
步驟a1：確定第i個自由度相對應的實際運動範圍的區間值max[i]，i＝1,2,……,m。
本發明實施例中，實際運動範圍的區間值max[i]為實際運動範圍的最大值和最小值之間的差值。比如，食指近指間關節的屈伸自由度的實際運動範圍為0～90度，則對於食指近指間關節的屈伸運動，max[i]＝90度；掌指關節的屈伸自由度的實際運動範圍為-20～110度，相對應的max[i]＝130度。
步驟a2：根據當前獲取的第i個自由度的原始子數據、以及該原始子數據的最大值和最小值確定第i個自由度的第一角度值：
其中，x為第i個自由度的當前獲取的原始子數據，rawmax[i]為該原始子數據的最大值，為該原始子數據的最小值rawmin[i]。
本發明實施例中，提前設置該自由度的原始子數據的最大值和最小值，在獲取到新的原始子數據x時，先將x與最大值和最小值進行比較，以確定是否需要更新最大值或最小值，之後根據上述計算第一角度值的公式即可以計算第一角度值。該流程具體可參見圖3所示。其中，圖3採用matlab語言表示，比如set:rawmax＝zeros(14,1)表示將rawmax設置為14×1的零矩陣，以保證初始最大值比較小；且i的初始值為1。
在一種可能的實現方式中，將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，包括步驟b1-b3：
步驟b1：設置近指節的運動角和遠指節的運動角之間的角度比例關係。
步驟b2：根據m個自由度的第一角度值確定多個近指節的運動角，並根據角度比例關係和近指節的運動角確定相對應的遠指節的運動角。
步驟b3：根據m個自由度的第一角度值確定大拇指的外展運動角，並根據大拇指的外展運動角確定大拇指腕掌關節屈伸運動角。
本發明實施例中，對於食指、中指、無名指與小拇指四根手指，每根手指的模型的近指節與遠指節的運動角之間可以設置角度比例關係，比如1:1，級近指節的運動角和遠指節的運動角相同。由於數據手套可以採集近指節的運動角，故可以根據該角度比例關係和近指節的運動角確定相對應的遠指節的運動角，從而實現對食指、中指、無名指與小拇指的自由度擴展。同時，對於大拇指腕掌關節的屈伸自由度，本發明實施例中設定大拇指的腕掌關節的屈伸自由度運動角度為外展運動角度的一半。這樣就可以將數據手套所測量的14個關節角映射到了完全擬人的假肢機械手模型的20個自由度上，達到用只能測量14個自由度的5dt數據手套來完全控制20個自由度的仿真模型的目的。
具體的，m個自由度所表示的關節角參見上述表1所示，相對應的20個自由隊所表示的關節角參見下述表2所示：
表2
本發明實施例提供的一種基於數據手套的實時操作仿真方法，實時採集數據手套的原始數據，並根據原始數據的原始讀數範圍與實際運動範圍之間的映射關係確定第一角度值，並對第一角度值執行擴展處理，提高了自由度的數量，將5dt數據手套測量的14個自由度的運動角來完全控制20個自由度的機械手臂的仿真模型，使得機械手臂的仿真運動與真正物理系統的運動更加相符，可以提高真實度。
基於同樣的發明構思，本發明實施例還提供一種基於數據手套的實時操作仿真系統，參見圖4所示，該系統包括：數據手套、上位機和下位機。數據手套與上位機相連，上位機與下位機之間建立通信連接。
其中，數據手套用於採集人手各關節運動的原始數據，並將原始數據發送至上位機，原始數據包括m個自由度的原始子數據。
上位機接收數據手套上傳的原始數據，將原始數據轉換為整形數據後傳輸至下位機。
下位機用於接收上位機傳輸的數據手套的原始數據，並在用戶操作的全過程中動態地對數據手套進行標定，實時更新不同的原始子數據的最大值和最小值，原始子數據的最大值和最小值確定的原始讀數範圍與相對應的關節角的實際運動範圍之間為映射關係；根據m個自由度的原始子數據和映射關係分別確定m個自由度的第一角度值；將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，且n＞m；之後將n個自由度的第二角度值發送給上位機。
上位機接收到第二角度值後，根據n個自由度的第二角度值實時仿真顯示機械手臂。
具體的，數據手套採用5dt數據手套，可以採集14個自由度的數據。5dt數據手套為使用者佩戴，基於實際操作需求輸出14個關節運動角的實時運動數據，然後通過數據線傳給上位機。上位機中運行的數據採集與傳輸程序接收來至5dt數據手套的實時數據，將原始數據轉換成整形，然後通過udp(userdatagramprotocol，用戶數據報協議)協議，利用網絡接口傳給下位機。
下位機運行於simulinkrealtime實時作業系統，simulinkrealtime結合了xpctarget和xpctargetembeddedoption的功能，支持實時仿真和測試，包括快速控制原型、dsp、視覺系統原型和硬體在環(hil)仿真。通過該技術，技術人員可以自動產生實時應用程式，在配有實時內核、多核cpu、i/o和協議接口以及fpga的特定目標計算機上交互或自動化運行。
具體的，下位機通過udp協議接收來自上位機的傳下來的數據手套的原始角度信息，然後在用戶操作的全過程中動態地對數據手套進行標定。其基本過程是在用戶操作的過程中，對於每個傳感器，實時地更新原始數據的最大值與最小值，將最大值與最小值作為人手操作時數據手套的數值變化範圍，然後將每個傳感器的原始讀數範圍映射到對應的關節角的實際的運動範圍，每個關節角實際的運動範圍手動設定，具體參見圖3所示的流程圖。對於健康的成年人，每個手指的每個關節的實際運動範圍差別很小，基本可以忽略個體差異。確定原始數據對應的第一角度值時，之後將數據手套的14個關節角映射到假手模型的20個關節角。其映射的原理主要為：假定中指的掌指關節的外展運動始終為0，這樣數據手套的4個外展自由度的關節角剛好對應模型的四個手指的外展運動；對於食指、中指、無名指、小拇指，當人手在抓握過程中，手指的近指節與遠指節的運動角始終近似為1:1，故在本發明實施例中，對於食指、中指、無名指與小拇指四根手指，每根手指的模型的近指節與遠指節的運動按照1:1的比例耦合；對於大拇指腕掌關節的屈伸自由度，本發明實施例中假定大拇指的腕掌關節的屈伸自由度運動角度為外展運動角度的一半。這樣，就將5dt數據手套所測量的14個關節角映射到了完全擬人的假肢機械手模型的20個自由度上，達到用只能測量14個自由度的5dt數據手套來完全控制20個自由度的仿真模型的目的。下位機在計算出20個關節角後，將該值先經過一組20個pid控制器，再通過udp協議傳給上位機中的仿真模型，實現仿真的三維可視化顯示。
仿真模型運行於上位機，是基於simulink的simmechanics環境。更具體的，先利用solidworks進行機械手的各個零件的建模，然後組裝為擁有20個運動自由度的裝配體，利用matlab提供的solidworks插件，將solidworks建模的裝配體導出為保存著裝配信息以及零件相對位置信息的xml格式的文檔以及對應每個零件的stl格式的文件，將導出的所有零件的stl格式文件以及xml文件拷貝到matlab的工作路徑下，然後通過matlab提供的函數，生成simulink環境下的simmechanics模型。該模型完全與solidworks中建模的模型一致，可以通過在每個關節添加角度輸入來控制每個自由度的角度值。該系統的一種結構框圖示意圖參見圖5所示。
在一種可能的實現方式中，下位機根據m個自由度的原始子數據分別確定m個自由度的第一角度值，包括：
確定第i個自由度相對應的實際運動範圍的區間值max[i]，i＝1,2,……,m；
根據當前獲取的第i個自由度的原始子數據、以及該原始子數據的最大值和最小值確定第i個自由度的第一角度值：
其中，x為第i個自由度的當前獲取的原始子數據，rawmax[i]為該原始子數據的最大值，為該原始子數據的最小值rawmin[i]。
在一種可能的實現方式中，下位機將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，包括：
設置近指節的運動角和遠指節的運動角之間的角度比例關係；
根據m個自由度的第一角度值確定多個近指節的運動角，並根據角度比例關係和近指節的運動角確定相對應的遠指節的運動角；
根據m個自由度的第一角度值確定大拇指的外展運動角，並根據大拇指的外展運動角確定大拇指腕掌關節屈伸運動角。
本發明實施例提供的一種基於數據手套的實時操作仿真系統，實時採集數據手套的原始數據，並根據原始數據的原始讀數範圍與實際運動範圍之間的映射關係確定第一角度值，並對第一角度值執行擴展處理，提高了自由度的數量，將5dt數據手套測量的14個自由度的運動角來完全控制20個自由度的機械手臂的仿真模型，使得機械手臂的仿真運動與真正物理系統的運動更加相符，可以提高真實度。運用該系統，可以方便的測試各種假肢手運動控制算法，並直觀的顯示算法的結果，可以顯著地提高控制算法的開發速度，降低成本，而且控制算法可以直接生成c語言，進而編譯到嵌入式處理器中，完成整個算法的開發與應用。
基於同樣的發明構思，本發明實施例還提的一種基於數據手套的實時操作仿真裝置，參見圖6所示，包括：
獲取模塊61，用於獲取數據手套實時採集的原始數據，原始數據包括m個自由度的原始子數據；
更新模塊62，用於根據採集的原始數據實時更新不同的原始子數據的最大值和最小值，原始子數據的最大值和最小值確定的原始讀數範圍與相對應的關節角的實際運動範圍之間為映射關係；
確定模塊63，用於根據m個自由度的原始子數據和映射關係分別確定m個自由度的第一角度值；
擴展模塊64，用於將m個自由度的第一角度值映射擴展為n個自由度的第二角度值，且n＞m；
仿真模塊65，用於根據n個自由度的第二角度值實時仿真顯示機械手臂。
在一種可能的實現方式中，確定模塊63包括：
確定單元，用於確定第i個自由度相對應的實際運動範圍的區間值max[i]，i＝1,2,……,m；
計算單元，用於根據當前獲取的第i個自由度的原始子數據、以及該原始子數據的最大值和最小值確定第i個自由度的第一角度值：
其中，x為第i個自由度的當前獲取的原始子數據，rawmax[i]為該原始子數據的最大值，為該原始子數據的最小值rawmin[i]。
在一種可能的實現方式中，擴展模塊64包括：
設置單元，用於設置近指節的運動角和遠指節的運動角之間的角度比例關係；
第一擴展單元，用於根據m個自由度的第一角度值確定多個近指節的運動角，並根據角度比例關係和近指節的運動角確定相對應的遠指節的運動角；
第二擴展單元，用於根據m個自由度的第一角度值確定大拇指的外展運動角，並根據大拇指的外展運動角確定大拇指腕掌關節屈伸運動角。
在一種可能的實現方式中，m＝14，n＝20。
本發明實施例提供的一種基於數據手套的實時操作仿真方法、裝置及系統，實時採集數據手套的原始數據，並根據原始數據的原始讀數範圍與實際運動範圍之間的映射關係確定第一角度值，並對第一角度值執行擴展處理，提高了自由度的數量，將5dt數據手套測量的14個自由度的運動角來完全控制20個自由度的機械手臂的仿真模型，使得機械手臂的仿真運動與真正物理系統的運動更加相符，可以提高真實度。
以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性的勞動的情況下，即可以理解並實施。
通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到各實施方式可藉助軟體加必需的通用硬體平臺的方式來實現，當然也可以通過硬體。基於這樣的理解，上述技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品可以存儲在計算機可讀存儲介質中，如rom/ram、磁碟、光碟等，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。
前述對本發明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述並非想將本發明限定為所公開的精確形式，並且很顯然，根據上述教導，可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在於解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的技術人員能夠實現並利用本發明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本發明的範圍意在由權利要求書及其等同形式所限定。