1.一种基于数据手套的仿人机械手控制系统，其特征在于，包括：
操作控制层，主要负责设定不同的控制方式，其中包括实时仿真控制和在线控制，此层通过操作者对控制方式的选择，为仿人机械手设定当前的控制方式，并根据不同的控制方式进行不同的操作控制；
数据处理层，主要负责对采集到的数据进行分析和处理，把从数据手套采集的数据进行校正、分析，并根据规则把分析的手指关节角度信息映射为仿真虚拟手和仿人机械手的关节角度，其中包括数据校正模块、手指关节角度分析模块、仿真虚拟手关节角度映射模块、以及仿人机械手关节角度映射模块；
接口层，主要负责从数据手套采集数据，以及对仿真虚拟手和仿人机械手进行驱动，其中包括数据采集模块、仿真虚拟手驱动模块和仿人机械手驱动模块；
设备层，包括数据手套设备、仿真虚拟手的仿真平台、仿人机械手；
当操作者戴着数据手套作出各种动作时，接口层的数据采集模块采集到数据手套的输入信息，并传送给数据处理层的数据校正模块；数据校正模块对采集的数据进行校正，然后由手指关节角度分析模块进行分析处理，得到手指关节角度数据；根据操作控制层选择好的控制方式，通过仿真虚拟手关节角度映射模块和仿人机械手关节角度映射模块得到仿真虚拟手和仿人机械手的所有关节角度，然后仿真虚拟手关节角度传送给接口层的仿真虚拟手驱动模块，以及把仿人机械手关节角度传送给接口层的仿人机械手驱动模块；仿真虚拟手驱动模块驱动仿真虚拟手的仿真平台中仿真虚拟手完成相应动作；仿人机械手驱动模块则驱动仿人机械手完成相应动作；同时，动作的完成效果反馈给操作者。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的仿人机械手控制系统，其特征在于，还包括：
1)仿人机械手运动学建模
建立仿人机械手运动学模型，包括对仿人机械手指关节的坐标建立，以及对仿人机械手手指运动学建模，即对拇指和其他四指的运动学建模；对每个杆件在关节轴处建立一个正规的笛卡儿坐标系(xi,yi,zi),i＝1,2,…,n，n是自由度数，再加上基座坐标系；每个转动关节只有一个自由度；建立在关节i+1处的坐标系(xi,yi,zi)固联在杆件i上；当关节驱动器推动关节i时，杆件i将相对于i-1运动；因此，第n个坐标系将随手即杆件n一起运动；机座坐标定义为第0号坐标(x0,y0,z0)，它也是机器人的惯性坐标系；确定和建立每个坐标系应根据下面三条规则：①Zi-1轴方向沿着i关节的运动轴；②Xi轴垂直zi-1轴并指向zi-1离开的方向；③Yi轴根据右手笛卡尔坐标系的规则建立；按照这些规则，第0号坐标系在基座上的位置和方向任选，只要Z0轴沿着第一关节运动即可；最后一个坐标系即第n个放在手的任何部位，只要Xn轴与Zn-1垂直即可；
假定∑O1和∑O2分别是参考坐标系和附体坐标系，设点P在∑O1和∑O2中的三维坐标分别是pxyz＝[px,py,pz]T和puvw＝[pu,pv,pw]T，那么∑O2中的坐标相对于∑O1坐标系，则有pxyz＝Rpuvw   (1)
式中，R为3×3旋转矩阵；通过式(1)能够求得∑O2中的点分别绕∑O1中的X、Y、Z轴旋转α、β、γ角度的旋转矩阵；在D-H表示法中，N维位置矢量的变换是在(N+1)维空间进行的；齐次变换矩阵是4×4矩阵，它能把一个以齐次坐标表示的位置矢量由一个坐标系映射到另一个坐标系，把齐次变换矩阵看成是有四个子矩阵组成的，左上角3×3子矩阵代表旋转矩阵；右上角3×1子矩阵代表转动坐标系的原点在参考系中的位置矢量；左下角1×3子矩阵代表透视变换；而第四个对角元素代表整体比例因子；虽然在计算机图学中，作为通用比例因子，它可取任意正值，但在机器人学中，它总是等于1；齐次变换矩阵用来说明附体坐标系∑O2和参考坐标系∑O1之间的几何关系：
式中，位置矢量代表∑O2的原点在∑O1中的位置坐标，透视变换用于计算机视觉标定，这里全取0，表示无透视变换，而比例因子为1；这样仿人机械手的复杂运动就能够用下式表示：
式中，D-H变换矩阵T完成∑O2中用齐次坐标表示的矢量到参考坐标系∑O1的变换，只用设计T矩阵完成各个独立坐标系到参考坐标系的转变即可，从而使仿人机械手建模变为T矩阵的设计；
2)数据手套校正及对应关节角度获取
2.1)数据手套校正
操作者佩戴好数据手套后，首先让操作者作出手部完全紧握的动作，接着让操作者作出手部完全伸展的动作，并且反复做这两个动作连续5遍；在此过程中，连续地采集数据手套各个关节的输出信号，并记录各关节输出信号的最大值和最小值；然后把输出信号的最大值，保存为该操作者手部处于完全紧握状态时对应的信号值；把输出信号的最小值，保存为该操作者手部处于完全伸展状态时对应的信号值；由此，可计算出该操作者佩戴数据手套作出各种动作时，数据手套各关节的输出信号范围是：
Valuerange＝Valuemax–Valuemin   (22)
式中，Valuerange是数据手套某个关节的输出信号范围值，Valuemax是数据手套某个关节的输出信号最大值，Valuemin是数据手套某个关节的输出信号最小值；
2.2)数据手套对应关节角度获取
数据手套共有14个传感器，能够获取人手以下数据：①拇指的掌骨与根部指段、根部指段与中部指段之间夹角；②手掌与食指、中指、无名指和小指的根部指段之间夹角；③食指、中指、无名指和小指的根部指段与中部指段之间夹角；④相邻手指根部之间夹角；人手某关节的可转动角度范围是：
Anglerange＝Anglemax–Anglemin   (23)
式中，Anglerange是某关节的可转动角度范围，Anglemax是某关节可转动角度的最大值，Anglemin是某关节可转动角度的最小值；根据数据手套传感器的工作原理，人手手指各关节的运动角度与数据手套各关节的输出信号范围值是线性的对应关系；当手指的某个关节处于某个角度时，由该关节当前的信号值，根据线性对应关系，求得当前该关节的角度满足式中，Anglecurrent是某关节的当前角度值，Valuecurrent是某关节的当前数据手套信号值，把式(22)和式(23)代入式(24)，得
根据式(25)，由于其中Anglemin均为0，得数据手套各对应关节角度依次为：
由此，计算出数据手套对应各关节的当前角度值；
3)数据手套到仿真虚拟手和仿人机械手的关节角度映射
首先，由于从数据手套中只能得到手指对于掌部旋转关节与中间关节的弯曲角度的信息，无法得到手指末梢关节的弯曲角度的信息，所以根据式(27)，取k＝2/3，则
θDIJ＝2/3×θPIJ，   (28)
由此，计算出手指不包括拇指的末梢关节DIJ的角度近似等于手指中间关节PIJ角度的
2/3；而且，在人手最自然的运动状态下，拇指的末梢关节TIJ的角度与拇指指掌关节TMPJ的角度也满足此线性关系，因此拇指的末梢关节角度也能够由式(28)计算而得；其次，针对数据手套能够测量5个手指两两之间共4个夹角的数据，而仿真虚拟手和仿人机械手需要5个数据来控制5各手指的掌部侧向关节运动的问题，根据实际控制需要，设计让仿真虚拟手和仿人机械手中指相对于掌部侧向关节角度保持为0；则其余4个手指相对于掌部侧向关节的角度就能够由数据手套测得的5个手指两两之间的4个夹角的角度数据而得；再次，针对数据手套无法获取相当于仿真虚拟手和仿人机械手掌部中间关节的角度的问题，根据对人手的结构分析可知，人手的掌部中间位置只有在无名指和小指相对于掌部旋转到一定角度的时候才会随之内收，由此根据需要近似求得到仿真虚拟手和仿人机械手掌部中间关节的角度；根据以上方案，从数据手套获取的14个传感器的关节角度数据，合理地映射出了仿真虚拟手和仿人机械手所有共21个关节的角度；
4)指尖运动直观映射
当人手佩戴数据手套直观控制仿人机械手进行抓持运动时，通过观察仿人机械手相对于物体的位置，作出人手指尖的运动，从而控制仿人机械手指尖向适当的方向运动，因此需要将人手指尖位置增量映射为仿人机械手的指尖位置增量；取手掌坐标系作为运动映射的参考坐标系，不失一般性，设某时刻t开始的Δt时间内，人手食指指尖位置增量ΔdH＝[ΔxH ΔyH ΔzH]T，仿人机械手食指指尖的位置增量ΔdR＝[ΔxR ΔyR ΔzR]T，则有
ΔdR＝kΔdH   (29)
式中， 是从人手食指指尖到仿人机械手食指指尖的运动映射矩阵，
各手指指尖在x、y、z方向运动独立，因此，
kxy＝kxz＝kyx＝kyz＝kzx＝kzy＝0   (30)
由式(29)和式(30)得，
ΔxR＝kxxΔxH；ΔyR＝kyyΔyH；ΔzR＝kzzΔzH   (31)
由式(31)可知，仿人机械手的指尖在x、y、z方向上分别由人手指尖在x、y、z方向上的运动独立控制；
当人手运动缓慢，Δt较小时，相邻两位置的手指关节位形相差不大，指尖位置增量近似由手指长度决定，则有
kxx＝kyy＝kzz＝LR/LH   (32)
式中，LR是仿人机械手手指长度，LH是人手手指长度；由此，能够根据人手指尖位置增量映射出仿人机械手指尖位置增量，从而直观控制仿人机械手指尖位置。
3.根据权利要求2所述的一种基于数据手套的仿人机械手控制系统，其特征在于：所述仿人机械手指关节坐标建立是应用D-H表示法建立仿人机械手的指关节坐标系，首先为关节链中每个指关节建立附体坐标系；然后通过D-H矩阵来表示后一个关节和前一个关节的关系；最后经过逐次变换将附体坐标表示的各个关节方程最终变换成用参考坐标来表示；
确定和建立每个附体坐标系应根据下面4条规则：①Z轴方向沿其所在关节的运动轴；②X轴由附体坐标系Z轴和其前一坐标系Z轴确定；③Y轴按右手坐标系的要求建立；④手指基关节视参考坐标系为其前一坐标系；据此，在仿人机械手第i+1关节轴处建立一个笛卡尔坐标系∑i，i＝0,1,…,n-1，n是仿人机械手每个手指的自由度数目，Xi、Yi、Zi分别是∑i的3个轴；这样每个手指的第i+1关节的坐标系∑i固联于其第i关节的坐标系∑i－1；第1关节，也称基关节的坐标系∑0固联于参考坐标系；当关节驱动器推动关节i时，关节i将相对于关节i-1运动，第n个坐标系将随关节n一起运动；参考坐标系为仿人机械手的手掌坐标系∑palm；
对于给定的手指自由度为n的仿人机械手，按手的形态为每一个关节建立一个编号依次为0,…,i,…,n-1，i为手指从基关节到末稍关节的各个关节标号的标准正交坐标系，具体步骤如下：0)建立参考坐标系∑palm，∑palm与手指的基关节坐标系各轴方向一致；1)建立基关节坐标系∑0，在基关节建立右手正交坐标系∑0；遵循前述的四条规则，使它的Z0轴沿关节的运动轴，X0轴垂直于Z0轴，方向可任选，Y0按照右手法则来确定；2)初始化，对关节i(i＝1,…,n-1)完成步骤3)至6)；3)建立Zi轴(关节轴)，把Zi轴与关节i+1的运动轴对准；4)建立第i个坐标系的原点，将∑i的原点放在Zi与Zi-1轴的交点处，或放在它们的公垂线与Zi轴的交点处；5)建立Xi轴，令Xi沿Zi-1与Zi的公垂线且指向Zi的方向；如果Zi-1与Zi平行，则让Xi与Xi-1共线；如果Zi-1与Zi垂直，则让Xi垂至于Zi-1与Zi构成的平面；6)建立Yi轴，使坐标系∑i成为右手坐标系；7)求关节和链杆参数，对每个i(i＝0,…,n-1)，完成如下8)至11)步；8)求在Zi轴上两条相邻的公垂线之间的距离di，即Xi轴与Xi+1轴之间的距离；若关节i是移动关节，di是关节变量；9)求Zi-1轴与Zi轴之间的距离ai，即Zi-1轴与Zi轴的公垂线在这两个轴之间部分的长度；10)求绕Zi-1轴由Xi-1轴转向Xi轴，使得Xi-1轴与Xi轴平行的转角θi；若关节i是转动关节，θi就是关节变量；11)求绕Xi轴由Zi-1轴转向Zi轴，使得Zi-1轴与Zi轴同向的转角αi；
应用上述算法建立仿人机械手指的各关节坐标系，从而确定联系∑i和∑i-1的齐次变换矩阵T，即D-H转换矩阵；
所述仿人机械手手指运动学建模，如下：
(a)除拇指外其余四指运动学建模
除拇指外，其他4个手指结构一样，每个手指有4个关节，4个自由度，从根关节到末梢依次为基关节、近基关节、中关节和末梢关节，对于相邻的两个关节，以前一个关节为临时参考坐标系，建立后一个关节的D-H变换矩阵，建立关节j的D-H变换矩阵如下：
式中， 的右上角小标f代表第f个手指，下标i表示第i个关节，左上角i-1表示相对于前关节i-1；参数ai是Zi-1轴与Zi轴之间距离，di是Zi轴上两条相邻的公垂线之间距离；若关节i是移动关节，则di是关节变量；θi是绕Zi-1轴由Xi-1轴转向Xi轴，使得Xi-1轴与Xi轴平行的转角θi；若关节i是转动关节，则θi就是关节变量，αi是绕Xi轴由Zi-1轴转向Zi轴，使得Zi-1轴与Zi轴同向的转角；
根据D-H变换矩阵，由正向运动学，得出除拇指外的仿人机械手的手指正向运动学方程的总变换矩阵：
式中， 表示第f个手指的第i关节附体坐标系相对于参考坐标系的变换矩阵，
表示第f个手指的第i关节相对于第i-1关节的变换(i＝1,…,n-1)；n,o,a,p都是列向量，n＝[nx,ny,nz]T，o＝[ox,oy,oz]T，a＝[ax,ay,az]T，p＝[px,py,pz]T；除拇指外，其他四指采用侧摆型手指结构，基关节为侧摆转动关键，近基关节、中关节和末梢关节的Z轴平行；由D-H矩阵，有矩阵i-1Ai，如下式(6)所示，它描述两个相邻的坐标系的关系；
把杆件i上一个不动点pi在第i个坐标系中的齐次坐标与第i-1个杆件上建立的第i-1坐标用式(6)联系起来，
i-1
pi–1＝ Aipi   (7)
式中，pi–1＝(xi-1,yi-1,zi-1,1)T,pi＝(xi,yi,zi,1)T,能够得出A的各次矩阵，其中A0为palm坐标系到∑0坐标系变换矩阵，其他依次为i-1到i坐标系的变换矩阵；
所以，手掌与手指末端的总变换方程矩阵为
式中，Cij＝CosθiCosθj–SinθiSinθj＝Cos(θi+θj),Sij＝SinθiCosθj+CosθiSinθj＝Sin(θi+θj)；i,j＝0,1,2,3；根据以上式子，由给定的θ0、θ1、θ2、θ3，通过坐标系的变换，则可求得指尖的位置坐标x，y，z；
(b)拇指运动学建模
参考坐标系为手掌坐标系Σpalm，它与拇指基关节坐标系绑定；由式(4)出发，通过D-H矩阵连乘复合变换即可求得关节i(i＝1,2,3,4)相对该指基关节的变换矩阵，再结合式(4)，可得仿人机械手拇指(令f＝1)的正向运动学方程总变换矩阵
式中，palmT1i表示拇指的第i关节附体坐标系相对于参考坐标系的变换矩阵，i-1T1i表示拇指的第i关节相对于第i-1关节的变换(i＝1,…,n-1)，n，o，a，p都是列向量，n＝[nx,ny,nz]T，o＝[ox,oy,oz]T，a＝[ax,ay,az]T，p＝[px,py,pz]T。根据拇指模型坐标系，对拇指关节i(i＝1,2,3,4)的关节变量(αi,θi,ai,di)赋值，即可得到相应的拇指变换矩阵，可得出拇指的各次矩阵A；其中A0为palm坐标系到∑0坐标系变换矩阵，其他依次为i-1到i坐标系的变化矩阵；
所以，在手掌与拇指末端的总变换方程矩阵为：
式中，Cij＝CosθiCosθj–SinθiSinθj＝Cos(θi+θj),Sij＝SinθiCosθj+CosθiSinθj＝Sin(θi+θj)；i,j＝0,1,2,3；根据以上式子，由给定的θ0、θ1、θ2、θ3，通过坐标系的变换，则可求得拇指指尖的位置坐标x，y，z；
以上建立了整个仿人机械手的正向运动学，其逆向运动学建立是一个复杂的过程，需通过反复迭代运算；不过，逆向运动学的建立前提是已知各关节相对于其前一个关节坐标系的转换矩阵；这样，对手指f的关节i(i＝1,2,3,4)而言，已知pfii-1之后，其相对前一关节转角
θfii-1＝arctan(pfii-1,y/pfii-1,x)   (19)
从而关节i(i＝1,2,3,4)相对参考坐标系的转角可表示为
θfipalm＝θf0+θf1palm+θ1f2+…+arctan(pfii-1,y/pfii-1,x)   (20)。
4.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的仿人机械手控制系统，其特征在于：所述实时仿真控制是不断读取数据手套输入的同时，同步控制仿真虚拟手跟随人手进行相同的动作序列；所述在线控制是在人手佩戴的数据手套保持一个状态稳定预设的时间间隔，才控制仿真虚拟手和仿人机械手运动；所述仿真虚拟手能在瞬间显示最终控制效果给操作者，起到预测显示作用，而仿人机械手在完成动作之后，能把其状态信息反馈给控制软件。
5.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的仿人机械手控制系统，其特征在于：所述仿真虚拟手的仿真平台是在Windows XP操作系统下，采用Open GL三维图形库与VC++6.0联合开发的，并采用Discreet公司的3DS MAX 7.0作为仿真机械手建模工具，为了使仿真虚拟手的各关节之间能运动，采用按关节自由度划分，对各个部分局部建模，在3DS MAX中建立模型后，将仿真机械手各个关节部件的3D模型导出为3DS文件，再读入到Open GL与VC++6.0联合开发的仿真虚拟手服务器端程序中对仿真虚拟手进行绘制、组装，以及通过平移、旋转和缩放坐标变换实现手指各关节的运动；而且，全部三维模型均采用显示列表，使得三维模型的显示速度得到有效的提高；该仿真虚拟手平台提供了平移、远近和三维旋转功能，用鼠标拖动来操作；
仿真虚拟手由视景仿真服务器端和客户端组成，采用TCP/IP协议进行通信；客户端软件由作业描述语言开发包和消息转发程序组成；系统为用户提供了作业描述语言开发包，通过作业描述语言开发包编写机械手的控制程序，然后在仿真环境的客户端执行；此时控制指令通过消息转发程序转换成TCP/IP消息包，发送到视景仿真服务器端，仿真服务器端接收消息后，将其还原成仿人机械手控制指令，并通过指令—函数映射表找到对应的执行函数，立即执行该指令，执行效果由三维场景生成模块渲染输出，该系统还采用了数据缓存技术来协调务器端仿真动画的速度和客户端的消息发送速度之间的速度差异；
仿真平台中仿真虚拟手是完全为仿人机械手而设计的，因此，其结构及关节旋转角度与仿人机械手完全相同，每个手指各四个自由度每个自由度一个关节，共有5个手指，另外，手掌弱侧位置能够进行倾斜，因此手掌处有1个自由度，这样加起来总共21个自由度。
6.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的仿人机械手控制系统，其特征在于，所述仿人机械手包括：
手部整体机构，在手指部分设计中，将微电机置于手指的每个指节内，除拇指之外，每个手指具有4个自由度，指关节从手掌内到指端依次称为基关节、近基关节、中关节和末梢关节，拇指也设计成具有4个自由度，在手掌设计上，由于人的手掌可侧握，所以手掌分成两部分，用电机连接驱动起来，这样一个手共计有21个自由度；
手指机构，每根手指的基关节与近基关节在相连处垂直正交，基关节和近基关节一个为侧摆关节一个为屈曲关节，能够模拟人手指掌关节实现下指节的侧摆和屈曲，而中关节和末梢关节分别实现中指节和上指节的屈曲；仿人机械手拇指为屈曲型的手指结构，而其他4指则为侧摆型的手指结构；在关节转角范围相同的情况下，屈曲型手指机构的工作空间较大，而侧摆型手指机构的工作空间较小，适合于除拇指外的4个手指结构；拇指基关节的位置为向上倾的结构，拇指基关节的弯曲，既能够向上倾斜与其他四指的对捏，又能够进行其他方向的弯曲，容易达到拇指与其他四指对捏，且拇指近基关节的侧摆范围较大，除拇指外，其他4指基关节的侧摆角度都为10°，而拇指的近基关节侧摆角度为65°，与人手的常态相接近，当然，这个角度能够进行调节，通过程序控制；
手掌机构，手掌内部为一空腔，用于安装电机和各种信号线，手掌的掌心处为一平面，用于与手指配合抓握物体；手掌分为两个部分，观察人手的运动，拇指和无名指、小指的相对运动时，手掌间具有握动的转动；手掌弱侧位置能够进行倾斜；当无名指和小指与拇指进行对捏时，手掌外侧部分能够倾斜；
传动机构，为电机传动，手指为中空形式，由指尖贯穿到指根，微电机置于手指的每个指节内；每个手指的关节之间的指段采用整体构件式设计，每个关节单独用电机驱动；仿人机械手各手指关节控制驱动电机均采用GWS PICO/NARO servo型直流伺服电机，通过脉冲变化来驱动电机的转动角度。
7.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的仿人机械手控制系统，其特征在于：所述数据手套为5DT Data Glove 14Ultra数据手套，它总共有14个传感器；其中，除拇指外的4个手指每个手指连接掌部的关节MPJ和手指中间关节PIJ各1个传感器，拇指连接掌腕的关节TMJ和拇指中间关节TMPJ各1个传感器，5个手指两两之间各1个传感器；数据手套和计算机之间通过USB接口连接。