[发明专利]面向遥操作手眼协调的交互控制方法

说明书

本发明公开了一种面向遥操作手眼协调的交互控制方法，用于解决现有人机交互控制方法实用性差的技术问题。技术方案是基于坐标系的转换，操作者通过交换设备控制场景对象运动时，首先将场景对象的位姿由世界坐标系转换到相机坐标系中，然后在相机坐标系中按预期运动加上交互设备的进动量，得到新的相机坐标系位姿坐标，最后将新得到的位姿坐标由相机坐标系转换到世界坐标系中用以控制场景对象的实际运动。本发明实现了遥操作过程的手眼协调，即交互操作的过程中场景对象的运动不受操作者观察场景视角变换的影响，与交互设备的运动一致，降低遥操作难度，实用性好。

技术领域

本发明涉及一种人机交互控制方法，特别是涉及一种面向遥操作手眼协调的交互控制方法。

背景技术

文献“遥操作机器人系统主从控制策略，江苏科技大学学报(自然科学版)，2013，Vol27(8)，p643-647”公开了一种主从式遥操作机器人系统的控制方法。该方法采用增量式位置控制方式，以主手的增量来控制从手的运动，较有效地避免了初始回原点的繁琐。当操作操作者直接观察被操作环境信息时与操作者通过图像设备观察被操作环境信息时，主从间位置对应不同，通过调整比例控制增益矩阵，进行主手与实际环境或主手与图像设备的坐标匹配，建立主端和从端的工作空间映射有较好的视觉临场感。文献所述方法只是基于操作者直接观察环境信息与通过图像设备观察环境信息的不同，通过比例控制增益系数简单建立了主手与实际环境或主手与图像设备的工作空间映射，而没有给出当操作者观察被操作环境信息观察视角变化时，建立主从端工作空间映射的方法，没有实现主从端工作空间映射不受观察视角变化的影响，始终运动一致，适用范围不广，操作难度较大。

发明内容

为了克服现有人机交互控制方法实用性差的不足，本发明提供一种面向遥操作手眼协调的交互控制方法。该方法基于坐标系的转换，操作者通过交换设备控制场景对象运动时，首先将场景对象的位姿由世界坐标系转换到相机坐标系中，然后在相机坐标系中按预期运动加上交互设备的进动量，得到新的相机坐标系位姿坐标，最后将新得到的位姿坐标由相机坐标系转换到世界坐标系中用以控制场景对象的实际运动。本发明实现了遥操作过程的手眼协调，即交互操作的过程中场景对象的运动不受操作者观察场景视角变换的影响，与交互设备的运动一致，降低遥操作难度，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向遥操作手眼协调的交互控制方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、交互设备数据采集，在手控器运动过程中，等时间间隔采集手控器的实时位置信息P_cⁿ；将采集到的手控器实时位置信息P_cⁿ与前一时刻位姿信息P_c^n-1作差得到手控器进动量ΔP；将进动量ΔP按照ΔP₀＝k*ΔP映射为机械臂末端的初始运动指令ΔP₀，其中，k为操作比例系数。

ΔP₀＝k*ΔP (1)

步骤二、结合交互操作坐标系到相机坐标系的转换矩阵R_x，对初始运动指令ΔP₀进行转换处理，得到相机坐标系中的运动指令ΔP₁。

ΔP₁＝ΔP₀*R_x (2)

步骤三、结合相机坐标系在世界坐标系的位姿矩阵C，对相机坐标系中的运动指令ΔP₁进行转换处理，得到世界坐标系中的运动指令ΔP₂。

在交互过程中，操作者观察到的视景由相机在世界坐标系中的位置姿态决定，而相机的位置姿态矩阵取决于三个要素：即相机视线方向、相机中心的位置、相机的正向朝向，这三个要素就能确定相机在世界坐标系中的位置姿态。当观察视角转换时，本质是相机在世界坐标系中的位置姿态发生了变化，相机坐标系在世界坐标系中的方向也随之发生变化。