一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法及其应用，属于人机交互技术领域，包括：从端根据主端在不同阶段及具体任务需求下所选择的模式，执行对应的映射方法；其中，人机交互系统的模式包括第一模式和第二模式；第一模式下对应的映射方法应用于大范围快速粗略定位操作场景，第二模式下对应的映射方法应用于小范围慢速精细操作场景；通过本发明专利技术所提供的混合映射方法，在提升人机交互系统工作空间可达范围的同时，还保持了主从端设备末端姿态的一致性；在进行模式切换后，既能实现操作空间映射下的精细化操作，又能实现位置和姿态的连续平滑切换，从而实现了不同操作方式间的连续平滑切换，大大降低了主从端之间的跟踪误差。跟踪误差。跟踪误差。

【技术实现步骤摘要】
一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法及其应用


[0001]本专利技术属于人机交互
，更具体地，涉及一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法及其应用。

技术介绍

[0002]近些年来，以遥操作为代表的人机交互系统被广泛应用于远程医疗、野外搜救等领域。通过人远程操控机器人等设备，可以将人类智慧传递给机器人，让机器人代替人类执行危险或复杂的任务。在人机交互系统中，主端设备用于采集操作者的指令信息，从端设备用于执行操作者的指令。为了实现人机交互系统的高效精准运转，需要将主从端设备的工作空间进行映射，目前常见的映射方式包括关节空间映射和操作空间映射。
[0003]关节空间映射可以实现大范围快速移动，但是控制精度低，用户体验差。操作空间映射可以实现小范围精细操作，但是移动范围小，工作空间可达范围有限。为了解决上述问题，现有研究考虑将两者的优势进行融合，当执行大范围快速粗略定位操作时，采用关节空间映射方式；当执行小范围慢速精细操作时，采用操作空间映射方式，从而提出了一种混合切换的映射方法；但是该方法在两种映射方式之间进行切换时不能保证主、从端末端位姿相对于基座坐标的一致性，无法实现不同操作方式间的连续平滑切换，使得主、从端之间的跟踪误差较大，进而导致人机交互系统的实用性及用户体验较差。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法及其应用，用以解决现有的人机交互系统在兼顾大范围定位与小范围精细化操作时，由于不能实现不同操作方式间的连续平滑切换，导致主、从端之间的跟踪误差较大的技术问题。
[0005]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法，包括：从端根据主端在不同阶段及具体任务需求下所选择的模式，执行对应的映射方法；其中，人机交互系统的模式包括第一模式和第二模式；
[0006]第一模式下对应的映射方法包括：对每一时刻输入的主端各轴的关节角度值分别执行以下操作：对主端前三轴的关节角度值分别进行最大比例映射，得到从端前三轴的关节角度值，进而得到从端前三轴的旋转矩阵；基于主、从端设备末端旋转矩阵的一致性，结合从端前三轴的旋转矩阵，计算得到从端后三轴的旋转矩阵，并反解得到从端后三轴的关节角度值，从而得到从端各轴的关节角度值的映射结果；
[0007]第二模式下对应的映射方法包括：将主端末端位置从切换点时刻到当前时刻的改变量按照预设比例进行映射，得到当前时刻从端末端位置的改变量，从而得到当前时刻从端末端位置的映射结果；同时，基于从切换点时刻到当前时刻的主端末端姿态的旋转矩阵，对从端末端姿态进行相同的旋转变换，从而得到当前时刻从端末端姿态的映射结果；其中，切换点为从第一模式切换到第二模式时的切换点。
[0008]进一步优选地，第一模式下对应的映射方法包括：
[0009]对主端前三轴的关节角度值分别进行最大比例映射，得到从端前三轴的关节角度值；
[0010]根据从端前三轴的关节角度值和从端前三轴的DH参数模型，通过正运动学计算得到从端前三轴的旋转矩阵；
[0011]基于主、从端设备末端旋转矩阵的一致性，结合从端前三轴的旋转矩阵，计算得到从端后三轴的旋转矩阵；
[0012]基于从端后三轴的旋转矩阵和从端后三轴的DH参数模型，通过逆运动学，反解得到从端后三轴的关节角度值，从而得到从端各轴的关节角度值的映射结果。
[0013]进一步优选地，从端后三轴的旋转矩阵为：
[0014][0015]其中，为从端前三轴的旋转矩阵；为主端所有轴的旋转矩阵。
[0016]进一步优选地，从端前三轴中第i轴的关节角度值为：
[0017][0018]其中，为从端前三轴中第i轴的最大关节角度值；为从端前三轴中第i轴的最小关节角度值；为主端前三轴中第i轴的最大关节角度值；为主端前三轴中第i轴的最小关节角度值；为主端前三轴中第i轴的关节角度值。
[0019]进一步优选地，当前时刻从端末端位置的映射结果为：
[0020][0021]其中，为切换点时刻下的从端末端位置；k为预设缩放比例因子；为当前时刻下的主端末端位置；为切换点时刻下的从端末端位置。
[0022]进一步优选地，当前时刻从端末端姿态的映射结果的获取方法，包括：基于主、从端设备末端旋转矩阵的一致性，结合从切换点时刻到当前时刻主端末端姿态的旋转矩阵，计算得到从切换点时刻到当前时刻的从端末端姿态的旋转矩阵，得到从切换点时刻到当前时刻从端末端姿态的增量，进而结合切换点时刻下的从端末端姿态，计算得到当前时刻从端末端姿态的映射结果。
[0023]进一步优选地，从切换点时刻到当前时刻的从端末端姿态的旋转矩阵为：
[0024][0025]其中，为切换点时刻下的从端末端位姿的旋转矩阵；为切换点时刻下主端末端位姿的旋转矩阵；为从切换点时刻到当前时刻下的主端末端位姿的旋转矩阵。
[0026]第二方面，本专利技术提供了一种从端设备，采用本专利技术第一方面所提供的主从端混合映射方法对主端设备的状态信息进行映射。
[0027]第三方面，本专利技术提供了一种人机交互系统，包括：主端设备、通信设备、以及本专利技术第二方面所提供的从端设备。
[0028]第四方面，本专利技术提供了一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现本专利技术第一方面所提供的主从端混合映射方法。
[0029]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0030]1、本专利技术提供了一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法，从端根据主端在不同阶段及具体任务需求下所选择的模式，执行对应的映射方法；其中，第一模式下对应的映射方法应用于大范围快速粗略定位操作场景，此时仅进行关节空间映射，考虑到在大范围快速粗略定位操作场景下，动作范围较大，而影响动作范围的主要因素在于前三轴，因此本专利技术通过对主端前三轴的关节角度值分别进行最大比例映射，得到从端前三轴的关节角度值，使得从端前三轴可以跟随主端前三轴进行运动，然后基于主、从端设备末端旋转矩阵的一致性，结合从端前三轴的旋转矩阵，得到从端后三轴的关节角度值，以保证主从端后三轴姿态的一致性。第二模式下对应的映射方法应用于小范围慢速精细操作场景，以切换点时刻下的主从端状态为基准，基于末端位置增量进行操作空间映射，同时基于末端姿态增量进行姿态增量操作空间映射；本专利技术通过上述混合映射方法，在第一模式下，基于第一模式下对应的映射方法来确保从端在跟随主端进行大范围运动的过程中主从端后三轴位姿的一致性；在此基础上，当切换到第二模式时，进一步基于第二模式下对应的映射方法来确保位姿的变化量的一致性，从而能够在提升人机交互系统工作空间可达范围的同时，还保持了主从端设备末端姿态的一致性；在进行模式切换后，既能实现操作空间映射下的精细化操作，又能实现位置和姿态的连续平滑切换，从而实现了不同操作方式间的连续平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于人机交互系统的主从端混合映射方法，其特征在于，包括：从端根据主端在不同阶段及具体任务需求下所选择的模式，执行对应的映射方法；所述人机交互系统的模式包括第一模式和第二模式；所述第一模式下对应的映射方法包括：对每一时刻输入的主端各轴的关节角度值分别执行以下操作：对主端前三轴的关节角度值分别进行最大比例映射，得到从端前三轴的关节角度值，进而得到从端前三轴的旋转矩阵；基于主、从端设备末端旋转矩阵的一致性，结合所述从端前三轴的旋转矩阵，计算得到从端后三轴的旋转矩阵，并反解得到从端后三轴的关节角度值，从而得到从端各轴的关节角度值的映射结果；所述第二模式下对应的映射方法包括：将主端末端位置从切换点时刻到当前时刻的改变量按照预设比例进行映射，得到当前时刻从端末端位置的改变量，从而得到当前时刻从端末端位置的映射结果；同时，基于从切换点时刻到当前时刻的主端末端姿态的旋转矩阵，对从端末端姿态进行相同的旋转变换，从而得到当前时刻从端末端姿态的映射结果；其中，切换点为从第一模式切换到第二模式时的切换点。2.根据权利要求1所述的主从端混合映射方法，其特征在于，所述第一模式下对应的映射方法包括：对主端前三轴的关节角度值分别进行最大比例映射，得到从端前三轴的关节角度值；根据所述从端前三轴的关节角度值和从端前三轴的DH参数模型，通过正运动学计算得到从端前三轴的旋转矩阵；基于主、从端设备末端旋转矩阵的一致性，结合所述从端前三轴的旋转矩阵，计算得到从端后三轴的旋转矩阵；基于所述从端后三轴的旋转矩阵和从端后三轴的DH参数模型，通过逆运动学，反解得到从端后三轴的关节角度值，从而得到从端各轴的关节角度值的映射结果。3.根据权利要求1或2所述的主从端混合映射方法，其特征在于，所述从端后三轴的旋转矩阵为：其中，为从端前三轴的旋转矩阵；为主端所有轴的旋转矩阵。4.根据权利要求1或2所述的主...

【专利技术属性】
技术研发人员：江涛，史晓彤，廖子俊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：