CN107553485B - 一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法 - Google Patents

一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法，对于目标点位置跟踪，根据目标点位置设置虚拟夹具。能够针对于动态目标实时动态的生成虚拟夹具，适应更为复杂的任务要求，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1)降低了操作者人为因素对于操作交互方式的影响；2)解决了操作者控制机械臂末端向动态目标点的逼近。

Description

一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法
技术领域
本发明属于操作交互控制领域，涉及一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法，可用于协助操作者在遥操作过程中更加精细化的操作，完成精确度要求较高的操作任务。
背景技术
遥操作技术及遥操作***在过去的几十年里得到很大的发展。遥操作***可以帮助操作者完成很多具有很大挑战性的作业任务，例如灾害救援、无人开采、危险物品处理、远程协助，远程医疗等。
遥操作过程中，末端机构执行操作者由交互***发出的指令，进行相应的操作，并反馈回操作结果以及末端的工作状态，便于对末端状态进行预测。在遥操作过程中，精细化指令基本依靠操作者自身以相应的交互方式产生，很大程度上受到了操作者本身的限制。在现有的操作方式中，较多的使用了手控器作为主要的交互方式，而对于末端位置的控制，更多的需要靠操作者自身的观察来对末端进行相应的操作，而出于对人体机能的考虑，在精确度要求较高的操作任务中，仅仅依靠操作者自身对于末端的控制是不够的。为解决这个问题，确保操作者可以在指定时间里，更为精确的完成任务，研究者提出了一种虚拟夹具的概念。
虚拟夹具作为一种通用的引导方式，通过限制机器人末端运动位置，由虚拟环境产生抽象感官信息，力觉，触觉等信息，反馈给主端操作者，来达到辅助操作者完成精细化操作。
它是通过对机器人末端的期望运动进行约束作用来完成相应的辅助效果的。现有虚拟夹具的实现方法主要有：简单函数法、代理点法、势场法、非储能约束法、约束关节优化法、参考方向夹具法、机械式被动约束实现法等多种。对于一些场合的操作都有很明显的效果，但是对于空间动态目标点的虚拟夹具并没有很具体的实现策略，这对于操作要求而言依旧有些限制。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法，对于空间动态虚拟夹具的生成方法提出一种较为可行的方案，对于需要操作者自身控制末端向目标动态位置移动的操作方式，生成动态实时更新的虚拟夹具，辅助操作者完成对末端的控制。
技术方案
一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、初始化操作：将手控器与其他相应的交互方式转换到同一个坐标系，使得手控器的位置与末端所在坐标系位置一一对应；
步骤2：获取t0时刻相应的目标点起始位置(Xd(t0),Yd(t0),Zd(t0))与速度信息Vd以及机器人末端的起始位置(Xe(t0),Ye(t0),Ze(t0))；
步骤3：根据t0时刻目标点位置与机器人末端位置对t1时刻的机器人末端位置进行计算，得到下一时刻的位置(Xe(t1),Ye(t1),Ze(t1))，其方向由该时刻的末端位置点指向目标位置点：
Figure GDA0002411240920000021
其中：Ve选择保证机械臂运动稳定的最大速度；τ为相邻两个时刻的时间差；
步骤4：由目标点的动态信息，估算t1时刻的目标点位置(Xd(t1),Yd(t1),Zd(t1))，进而由得到的目标点位置利用式1对机器人末端位置进行t2时刻的估计(Xe(t2),Ye(t2),Ze(t2))，由此得到包括该时刻的三个机器人的末端位置：
Figure GDA0002411240920000031
步骤5：对步骤4计算所得的三个末端位置点进行Lagrange插值得到轨迹Ln(x)，将轨迹Ln(x)映射到手控器所在的坐标系，得到更新的参考轨迹计；
所述
Figure GDA0002411240920000032
其中
Figure GDA0002411240920000033
步骤6：计算所得的参考轨迹的作用力，得到虚拟夹具
Figure GDA0002411240920000034
其中KGVF＞0为设定的虚拟夹具的阻尼系数；其中KGVF＞0为设定的虚拟夹具的阻尼系数；Pd为手控器期望移动位置点，设置为所得参考轨迹上的点；Pr为手控器实际移动位置点；RVF为手控器移动的位置偏差阈值；
步骤7：操作手控器进行移动，进入下一时刻后，重新进行步骤2-6，进行新的参考轨迹规划，直至操作结束。
有益效果
本发明提出的一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法，对于目标点位置跟踪，根据目标点位置设置虚拟夹具。能够针对于动态目标实时动态的生成虚拟夹具，适应更为复杂的任务要求，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1)降低了操作者人为因素对于操作交互方式的影响；2)解决了操作者控制机械臂末端向动态目标点的逼近。
附图说明
图1：动态虚拟夹具生成策略流程图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的目的在于解决空间遥操作任务中，针对于动态目标点，如何利用虚拟夹具辅助操作者完成对末端的位置控制，提出的一种动态虚拟夹具生成方法。具体是通过以下技术方案实现的：
步骤1：进行初始化操作，对选取的交互方式进行标定，进行位置在不同坐标系的统一。
步骤2：获取t0时刻相应的目标点起始位置(Xd(t0),Yd(t0),Zd(t0))与速度信息Vd以及机器人末端的起始位置(Xe(t0),Ye(t0),Ze(t0))。
步骤3：根据t0时刻目标点位置与机器人末端位置对t1时刻的机器人末端位置进行计算，得到(Xe(t1),Ye(t1),Ze(t1))，其方向由该时刻的末端位置点指向目标位置点。对于末端运动的速度选择，应选择保证机械臂运动稳定的最大速度Ve，对于手控器控制末端的运行速度也不能超过这个速度的阈值。计算方法如式(1)所示：
Figure GDA0002411240920000041
步骤4：由目标点的动态信息，估算t1时刻的目标点位置(Xd(t1),Yd(t1),Zd(t1))，进而由得到的目标点位置利用式对机器人末端位置进行t2时刻的估计(Xe(t2),Ye(t2),Ze(t2))，由此得到包括该时刻的三个机器人的末端位置。计算方法如(2)所示:
Figure GDA0002411240920000042
步骤5：由上个步骤计算所得的三个末端位置点进行Lagrange插值，计算方法如式(3)所示：
Figure GDA0002411240920000051
其中
Figure GDA0002411240920000052
由上式得到Ln(x)即为所得的轨迹，将其映射到手控器所在的坐标系，得到更新的参考轨迹。
步骤6：针对所得的参考轨迹进行相应的虚拟夹具作用力计算:
Figure GDA0002411240920000053
其中KGVF＞0为设定的虚拟夹具的阻尼系数；其中KGVF＞0为设定的虚拟夹具的阻尼系数；Pd为手控器期望移动位置点，设置为所得参考轨迹上的点；Pr为手控器实际移动位置点，可由手控器相关函数获取；RVF为手控器移动的位置偏差阈值；大于阈值时设置力作用，小于等于该阈值时认为没有偏差，不设置力作用。
针对于所得的参考轨迹进行作用力设置，可以通过沿轨迹切线进行相应的作用力设定，将其进行相应的坐标变换设置在手控器坐标系中，使之只能沿轨迹方向运动，完成虚拟夹具的生成。
步骤7：操作手控器进行移动，根据指令时间，确定手控器末端速度，注意不要超限，进入下一时刻后，重新进行步骤2-6，进行新的参考轨迹规划，直至操作结束。

Claims (1)

1.一种人机交互过程中动态虚拟夹具的生成方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、初始化操作：将手控器与其他相应的交互方式转换到同一个坐标系，使得手控器的位置与末端所在坐标系位置一一对应；
步骤2：获取t0时刻相应的目标点起始位置(Xd(t0),Yd(t0),Zd(t0))与速度信息Vd以及机器人末端的起始位置(Xe(t0),Ye(t0),Ze(t0))；
步骤3：根据t0时刻目标点位置与机器人末端位置对t1时刻的机器人末端位置进行计算，得到下一时刻的位置(Xe(t1),Ye(t1),Ze(t1))，其方向由该时刻的末端位置点指向目标位置点：
Figure FDA0001348842630000011
其中：Ve选择保证机械臂运动稳定的最大速度；τ为相邻两个时刻的时间差；
步骤4：由目标点的动态信息，估算t1时刻的目标点位置(Xd(t1),Yd(t1),Zd(t1))，进而由得到的目标点位置利用式1对机器人末端位置进行t2时刻的估计(Xe(t2),Ye(t2),Ze(t2))，由此得到包括该时刻的三个机器人的末端位置：
Figure FDA0001348842630000012
步骤5：对步骤4计算所得的三个末端位置点进行Lagrange插值得到轨迹Ln(x)，将轨迹Ln(x)映射到手控器所在的坐标系，得到更新的参考轨迹计；
所述
Figure FDA0001348842630000013
其中
Figure FDA0001348842630000014
n＝2
步骤6：计算所得的参考轨迹的作用力，得到虚拟夹具
Figure FDA0001348842630000021
其中KGVF＞0为设定的虚拟夹具的阻尼系数；Pd为手控器期望移动位置点，设置为所得参考轨迹上的点；Pr为手控器实际移动位置点；RVF为手控器移动的位置偏差阈值；
步骤7：操作手控器进行移动，进入下一时刻后，重新进行步骤2-6，进行新的参考轨迹规划，直至操作结束。
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