CN102929393A - 虚拟手自动手势选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟手自动手势选择方法，属于计算机应用领域。本发明包括：（1）为虚拟手设计一套常用的基本手势；（2）设计虚拟手的手势选择方法，具体为：①用零件特征自身的端面作为分割平面，构造零件的二叉空间分割树BSPTree；根据BSPTree将零件及零件外围空间分割成若干特征子空间。②针对步骤①得到的每个特征子空间，构造该特征子空间所包含的特征的一个空间分割FeaSpaceClass。③初步确定虚拟手的当前待抓握的零件特征。④设计一组用于判断虚拟手的抓握位置的指标，并根据该组指标的具体取值综合判断虚拟手的抓握位置。⑤根据选取规则选择一个手势。本发明方法的优点是降低了人工操作的负荷和计算复杂度，极大地提高了工作效率，可以做到实时人机交互。

Description

虚拟手自动手势选择方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟手自动手势选择方法，属于智能人机交互领域。

背景技术

计算技术的巨大进步，使得人们可以借助图形技术和多种交互设备在虚拟环境中进行各种交互仿真实验和设计工作。在虚拟环境人机交互中像在现实世界中一样的直接操作是一个重要技术方面。虚拟手手势的动画是直接操作的基础设施。目前虚拟手手势的行为都是基于数据手套等设备通过对人的真实手指动作跟踪而获得的，这样的虚拟手的缺陷在于以下几点。其一，它依赖人的生理行为和生理感知，在交互中造成很大的认知负荷，也无法提供交互的其它语义信息，比如抓握的特征信息以及抓握的手势和深度信息；其二，基于碰撞检测算法，其算法复杂度很高，尽管人们提出了各种各样的改进算法来提高其效率，并没有克服其固有的复杂度，因而，在个人计算机上尚无法完全实现实时交互。

发明内容

本发明的目的是解决现有虚拟手技术所带来的认知负荷高的问题，从而提出了一种虚拟手自动手势选择方法。本发明的主要内容是根据生产和生活经验知识抽取出一套基本手势；构造具有真实感的虚拟手几何和手势动画。将虚拟手在虚拟环境中设计为主动对象，设计虚拟手的手势动态选择的算法，使得在虚拟环境交互过程中虚拟手根据用户交互意图的表达自主地转换手势。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种虚拟手自动手势选择方法，包括：

（1）为虚拟手设计一套在生产中和生活中常用的基本手势，形成虚拟环境基本手势集，用符号GesSet表示。所谓的手势是指参与抓握动作的手指组合和手指形态。

GesSet={Pnt,2fNip,3fNip,4fNip,5fNip,AGrab,PGrab,Grasp}。其中，Pnt为指点手势，指点手势为手背朝上，食指伸直摆放，拇指与手掌在同一平面并张开与食指成直角摆放其余三指指尖自然弯曲向下；2fNip代表用拇指和食指合作的捏手势；3fNip代表拇指、食指和中指合作的捏手势；4fNip代表用拇指与除小指外的其它四指合作构成的捏手势；5fNip代表用拇指与其它四指合作构成的捏手势；AGrab代表除拇指外其余并拢弯曲的四指所构成的抓握手势，拇指所指方向垂直于其余手指所在的每个平面，也称为偏握手势；PGrab代表拇指与其余并拢的四指相对，拇指所在平面平行于其它弯曲四指各手指所在平面的抓握手势，也称为对握手势；Grasp代表五指均匀侧向张开然后弯曲握紧的抓握手势。设定指点手势Pnt为初始手势，任何抓握手势都是从此手势转化而来。在4个捏手势中（2fNip,3fNip,4fNip，5fNip），都是拇指指尖与其它参与捏手势的部分手指指尖相对。

定义相关参数：

定义虚拟手局部坐标系：定义虚拟手的掌心某一点为虚拟手局部坐标系原点，用O_H表示；定义穿过坐标原点且与指点手势的食指矢量同方向的轴为虚拟手局部坐标系的主轴，用Major_H表示；定义在手掌平面上穿过坐标原点与主轴正交的轴线且与拇指指尖所指方向成锐角的方向为虚拟手局部坐标系的副轴方向，用Minor_H表示；定义穿过坐标原点与Major_H-Minor_H平面即手掌平面正交且从手背指向手心的的方向为第三轴方向，用The3thAxis_H表示，此三个轴构成右手定则。

定义手指的3个关节点和指尖顶点。对于拇指，从根部到指尖顺序分别是拇指第一关节点、拇指第二关节点，拇指第三关节点和拇指指尖顶点，分别用O_T1、O_T2、O_T3、O_T4表示。O_T1和O_T2之间的距离、O_T2和O_T3之间的距离、O_T3和O_T4之间的距离分别用l_T1、l_T2、l_T3表示。食指的3个关节点和指尖顶点，从根部到指尖顺序分别是食指第一关节点、食指第二关节点、食指第三关节点和食指指尖顶点，分别用O_I1、O_I2、O_I3、O_I4表示。O_I1和O_I2之间的距离、O_I2和O_I3之间的距离、O_I3和O_I4之间的距离分别用l_I1、l_I2和l_I3表示。中指的3个关节点和中指指尖顶点，从根部到指尖顺序分别是中指第一关节点、中指第二关节点，中指第三关节点和中指指尖顶点，分别用O_M1、O_M2、O_M3、O_M4表示。O_M1和O_M2之间的距离、O_M2和O_M3之间的距离、O_M3和O_M4之间的距离分别用l_M1、l_M2、l_M3表示。无名指的3个关节点，从根部到指尖顺序分别是无名指第一关节点、无名指第二关节点、无名指第三关节点和无名指指尖顶点，分别用O_R1、O_R2、O_R3、O_R4表示。O_R1和O_R2之间的距离、O_R2和O_R3之间的距离、O_R3和O_R4之间的距离分别用l_R1、l_R2、l_R3表示。小指的3个关节点，从根部到指尖顺序分别是小指第一关节点、小指第二关节点，小指第三关节点和小指指尖顶点，分别用O_S1、O_S2、O_S3、O_S4表示。O_S1和O_S2之间的距离、O_S2和O_S3之间的距离、O_S3和O_S4之间的距离分别用l_S1、l_S2、l_S3表示。各手指的第一关节点到第二关节点的部分称为第一指节，第二关节点到第三关节点的部分称为第二指节，第三关节点到指尖顶点的部分称为第三指节。

定义5个矢量vec_HT1、vec_HI1、vec_HM1、vec_HR1、vec_HS1；其中，vec_HT1表示原点O_H到拇指的第一关节点O_T1的矢量，vec_HT1=O_T1-O_H；vec_HI1表示原点O_H到食指的第一关节点O_I1到的矢量，vec_HI1=O_I1-O_H；vec_HM1表示原点O_H到中指的第一关节点O_M1的矢量，vec_HM1=O_M1-O_H；vec_HR1表示原点O_H到无名指的第一关节点O_R1的矢量，vec_HR1=O_R1-O_H；vec_HS1表示原点O_H到小指的第一关节点O_S1的矢量，vec_HS1=O_S1-O_H。

定义拇指的3种状态和2种状态转换方式。拇指的3种状态分别用S_T1、S_T2和S_T3表示；2种状态转换方式分别用T_T1和T_T2表示。拇指的状态S_T1是拇指与食指并拢，拇指指尖所指方向与Major_H轴方向相同；拇指的状态S_T2是拇指与食指分开，拇指指尖指向与Minor_H轴方向相同；拇指的状态S_T3是拇指与食指分开，拇指指尖指向与The3thAxis_H轴方向相同。拇指的状态转换方式T_T1是拇指在Major_H-Minor_H平面的转动，即拇指从状态S_T1向状态S_T2转换或从状态S_T2向状态S_T1转换的运动过程；拇指的状态转换方式T_T2是拇指在Minor_H-The3thAxis_H平面上的旋转运动，即拇指从状态S_T2向状态S_T3转换或从状态S_T3向状态S_T2转换的运动过程。

定义手指的运动方式：

定义拇指各指节的旋转角度。拇指从状态S_T2开始，拇指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_T12、θ_T22和θ_T32表示；拇指从状态S_T3开始，拇指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_T13、θ_T23和θ_T33表示。

定义除拇指外其它四指的运动方式。第一种运动方式是食指、无名指和小指在Major_H-Minor_H平面内的侧向移动，中指在Major_H-Minor_H平面上没有侧向运动；第二种运动方式是食指、中指、无名指和小指分别由伸直状态朝向手心的弯曲运动和其逆运动。在第一种运动方式中，食指、无名指和小指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动角度分别用θ_IS、θ_RS和θ_SS表示。在第二种运动方式中，食指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_I1、θ_I2和θ_I3表示；中指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_M1、θ_M2和θ_M3表示；无名指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_R1、θ_R2和θ_R3表示；小指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_S1、θ_S2和θ_S3表示。

在上述参数定义的基础上，对虚拟环境基本手势集GesSet中的8种手势进行描述。

指点手势Pnt为手背朝上，食指伸直摆放，拇指自然伸展，处于状态S_T2，其余三指指尖自然弯曲向下；因此指点手势Pnt的参数描述为：Pnt={vec_I1I4=Major_H，θ_T12=θ₁₁，θ_T22=θ₁₂，θ_T32=θ₁₃，θ_I1=θ₁₄，θ_I2=θ₁₅，θ_I3=θ₁₆，θ_M1=θ₁₇，θ_M2=θ₁₈，θ_M3=θ₁₉，θ_R1=θ_R7，θ_R2=θ₁₈，θ_R3=θ₁₉，θ_S1=θ₁₇，θ_S2=θ₁₈，θ_S3=θ₁₉}；其中，vec_I1I4表示从食指的第一关节点O_I1到拇指指尖O_I4的矢量；θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃、θ₁₄、θ₁₅、θ₁₆、θ₁₇、θ₁₈、θ₁₉均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指和食指合作的捏手势2fNip的描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，然后拇指和食指相对运动直到指尖中心接触为止。捏手势2fNip的终止状态参数描述为：2fNip={norm((O_I1-O_T1)×(O_T2-O_T1))=norm((O_I2-O_T1)×(O_T2-O_T1))，θ_T13=θ₂₁，θ_T23=θ₂₂，θ_T33=θ₂₃，θ_I1=θ₂₄，θ_I2=θ₂₅，θ_I3=θ₂₆}；其中，norm(·)中的各参数为矢量，norm(·)表示取该矢量的方向；θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指、食指和中指合作的捏手势3fNip的描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，同时中指伸直与食指并拢，其它手指状态不变。然后食指和中指与拇指做并行相对运动，分别做向内弯曲直到拇指指尖与食指和中指指尖接触为止。捏手势3fNip的终止状态参数描述为：3fNip={norm((O_I1+O_M1-2O_T1)×(O_T2-O_T1))=norm((O_I2+O_M2-2O_T1)×(O_T2-O_T1))，θ_T13=θ₂₁，θ_T23=θ₂₂，θ_T33=θ₂₃，θ_I1=θ₂₄，θ_I2=θ₂₅，θ_I3=θ₂₆，θ_M1=θ₃₄，θ_M2=θ₃₅，θ_M3=θ₃₆}；其中，θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆、θ₃₄、θ₃₅、θ₃₆均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指与除小指外的其它四指合作构成的捏手势4fNip的描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，同时中指和无名指伸直与食指并拢，小指状态不变。然后食指、中指和无名指与拇指做并行相对运动，分别做向内弯曲直到拇指指尖与中指指尖接触为止。捏手势4fNip的终止状态参数描述为：4fNip={norm((O_M1-O_T1)×(O_T2-O_T1))=norm((O_M2-O_T1)×(O_T2-O_T2))，，θ_T13=θ₂₁，θ_T23=θ₂₂，θ_T33=θ₂₃，θ_I1=θ₂₄，θ_I2=θ₂₅，θ_I3=θ₂₆，θ_M1=θ₃₄，θ_M2=θ₃₅，θ_M3=θ₃₆，θ_R1=θ₄₄，θ_R2=θ₄₅，θ_R3=θ₄₆}；其中，θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆、θ₃₄、θ₃₅、θ₃₆、θ₄₄、θ₄₅、θ₄₆均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指与其它四指合作构成的捏手势5fNip的运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，然后拇指与食指、中指、无名指以及小指并行相对运动，各手指同步向内做弯曲运动，直到拇指指尖与其余四指指尖接触为止。捏手势5fNip的终止状态参数描述为：5fNip={norm((O_M1+O_R1-2O_T1)×(O_T2-O_T1))=norm((O_M2+O_R2-2O_T1)×(O_T2-O_T1))，，θ_T13=θ₂₁，θ_T23=θ₂₂，θ_T33=θ₂₃，θ_I1=θ₂₄，θ_I2=θ₂₅，θ_I3=θ₂₆，θ_M1=θ₃₄，θ_M2=θ₃₅，θ_M3=θ₃₆,θ_R1=θ₄₄，θ_R2=θ₄₅，θ_R3=θ₄₆，θ_S1=θ₅₄，θ_S2=θ₅₅，θ_S3=θ₅₆}；其中，θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆、θ₃₄、θ₃₅、θ₃₆、θ₄₄、θ₄₅、θ₄₆、θ₅₄、θ₅₅、θ₅₆均为[0,180°]之间的某一定值。

偏握手势AGrab是拇指与其余并拢弯曲的四指的每个手指所在平面垂直的手势，其描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指保持状态S_T2不变，中指、无名指和小指同时伸直并保持与食指并拢，然后食指、中指、无名指和小指并行同步向内弯曲至最大角度。抓握手势AGrab的终止状态参数描述为：AGrab={θ_T12=θ₆₁，θ_T22=θ₆₂，θ_T32=θ₆₃，θ_I1=θ_1Max，θ_I2=θ_2Max，θ_I3=θ_3Max，θ_M1=θ_1Max，θ_M2=θ_2Max，θ_M3=θ_3Max，θ_R1=θ_1Max，θ_R2=θ_2Max，θ_R3=θ_3Max，θ_S1=θ_1Max，θ_S2=θ_2Max，θ_S3=θ_3Max}；其中，θ₆₁、θ₆₂、θ₆₃均为[0,180°]之间的某一定值；θ_1Max、θ_2Max、θ_3Max分别为各手指第一指节、第二指节、第三指节的最大弯曲角度。

对握手势PGrab是拇指与其它四指相扣形成的手势，其描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指转换到状态S_T3，中指、无名指和小指伸直与食指并拢，然后拇指与其余四指并行相对运动，食指、中指、无名指和小指并行同步向内做弯曲运动，同时拇指向内做弯曲运动，直到拇指指尖和中指指尖相接触为止。对握手势PGrab的终止状态参数描述为：PGrab={θ_T13=θ₇₁，θ_T23=θ₇₂，θ_T33=θ₇₃，θ_I1=θ₇₄，θ_I2=θ₇₅，θ_I3=θ₇₆，θ_M1=θ₇₄，θ_M2=θ₇₅，θ_M3=θ₇₆，θ_R1=θ₇₄，θ_R2=θ₇₅，θ_R3=θ₇₆，θ_S1=θ₇₄，θ_S2=θ₇₅，θ_S3=θ₇₆}；其中，θ₇₁、θ₇₂、θ₇₃、θ₇₄、θ₇₅、θ₇₆均为[0,180°]之间的某一定值；

抓握手势Grasp是五指均匀散开并同时向内做弯曲运动的手势，其描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指转换到状态S_T3，其余四指伸直与手掌共面并侧向张开，然后拇指与其余四指并行向内做弯曲运动，直到拇指与中指和无名指指尖接触为止。抓握手势Grasp的终止状态参数描述为：Grasp={θ_T13=θ₈₁，θ_T23=θ₈₂，θ_T33=θ₈₃；θ_IS=θ_SMax，θ_I1=θ₈₄，θ_I2=θ₈₅，θ_I3=θ₈₆；θ_M1=θ₈₇，θ_M2=θ₈₈，θ_M3=θ₈₉；θ_RS=-θ_SMax，θ_R1=θ₉₀，θ_R2=θ₉₁，θ_R3=θ₉₂；θ_SS=-θ_SMax，θ_S1=θ₉₃，θ_S2=θ₉₄，θ_S3=θ₉₅}。上述角度等式中右侧均为某常数值。其中，θ₈₁、θ₈₂、θ₈₃、θ₈₄、θ₈₅、θ₈₆、θ₈₇、θ₈₈、θ₈₉、θ₉₀、θ₉₁、θ₉₂、θ₉₃、θ₉₄、θ₉₅均为[0,180]之间的某一定值；θ_SMax是食指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动的最大角度；-θ_SMax是无名指和小指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动的最大角度。

（2）设计虚拟手的手势选择方法，具体操作步骤为：

步骤一、用零件特征自身的端面作为分割平面，构造零件的二叉空间分割树，用符号BSPTree表示。通过该零件的二叉空间分割树BSPTree，将零件及零件外围空间分割成若干特征子空间。

所述特征是一些特定的三维几何形状，是组成零件对象的基本单位。所述特定的三维几何形状包括：长方体、圆柱体或圆柱体的一部分、孔、槽、球体或球体的一部分、圆锥体或圆锥体的一部分。为每个特征定义笛卡尔局部坐标系：将每个特征的几何中心点定义为该特征的局部坐标系的原点；每个特征的中心轴线均作为该特征的笛卡尔局部坐标系的坐标轴，以及描述其三维空间占有的尺寸数据等参数，同时它有由表面面片所构成的视觉表示。

步骤二、针对步骤一得到的每个特征子空间，构造该特征子空间所包含的特征的一个空间分割，该分割集用符号FeaSpaceClass表示，FeaSpaceClass={C₁,C₂,…,C_n}；其中，C₁,C₂,…,C_n分别表示该特征被分割成的n个特征子区域。

所述构造某一特征子空间包含的特征的一个空间分割FeaSpaceClass的具体方法为：

步骤2.1：获取该特征子空间所包含的特征的端面数量：如果所述特征为长方体，其端面有6个；如果是圆柱体，其端面有2个；如果是圆柱体经纵向剖分，则其端面有3个；如果球体，其端面数为0个；如果是球体的一部分，其端面有1个；如果圆锥体，其端面有1个；如果圆锥体的一部分，其端面有2个。

步骤2.2：将步骤2.1得到的所述特征的端面加以区分，分为开放端面和封闭端面，获得开放端面的数量。所述开放端面是指该特征端面也是整个零件的边界表面；所述封闭端面是指该特征端面与该零件的另一个特征的端面共面，即是另一个特征端面的一部分而非零件的边界表面。每个特征的开放端面的数量用Num_OpenFC表示。

步骤2.3：依次对每个开放端面做如下操作：将穿过开放端面的轴线与该开放端面的交点作为起点，用符号O_f表示，沿轴线向零件内部方向取σ长度，做一与所述开放端面平行的截面，将该截面与所述开放端面之间的部分作为特征端面子区域C_j，1≤j≤Num_OpenFC，Num_OpenFC=n-1，σ是一人为设定值，0<σ≤50mm。

步骤2.4：将剩余部分作为特征中心子区域C_n。

经过上述步骤的操作，即完成对该特征子空间所包含的特征的一个空间分割FeaSpaceClass的构造。

步骤三、用户通过简单三维输入设备对虚拟手进行位姿操控，使其接近目标零件，并使虚拟手的方向为非背对目标零件的某一朝向，此时虚拟手为指点手势。然后，确定虚拟手的食指指尖O_I4所处的特征子空间，将该特征子空间包含的特征确定为当前待抓握的特征。

步骤四、设计一组用于判断虚拟手的抓握位置的指标，并根据该组指标的具体取值综合判断虚拟手的抓握位置；具体为：

步骤4.1：设计指标①至指标④，分别用符号Metric₁至Metric₄表示。每个指标的取值将是特征子区域集合FeaSpaceClass中的某个特征子区域C_i或者为空。

指标①是虚拟手的原点与特征的距离指标，用符号Metric₁表示；获取距离Metric₁的取值方法为：从虚拟手局部坐标系原点O_H做垂直于特征主轴的一个平面，交主轴上一点，用符号O'_H表示，当点O_H与点O'_H之间的距离小于某一人为预先设定阈值时，确定点O'_H所在特征子区域C_i，1≤i≤n，即C_i∈FeaSpaceClass，则指标Metric₁=C_i，否则为空。

指标②是虚拟手的食指指尖与特征表面距离指标，用符号Metric₂表示；获取距离Metric₂的取值方法为：过食指指尖O_I4做垂直于特征主轴的平面，该平面与特征表面相交，求交线上与O_I4点距离最近点，用符号O′_Itip表示，当点O_I4与点O'_Itip之间的距离小于某一人为预先设定阈值时，确定点O'_Itip所在特征子区域C_i，则指标Metric₂=C_i，否则为空。

指标③是虚拟手的食指光线投射指标，用符号Metric₃表示。获取食指光线投射指标Metric₃的取值方法为：沿从食指指根O_I1到指尖O_I4的矢量方向投射一条光线穿越特征近表面的一点，用符号P表示，确定点P所在特征子区域C_i，则指标Metric₃=C_i，否则为空。

指标④是虚拟手的The3thAxis_H轴（即手心的朝向方向）与特征的某一个轴线（用符号Ax_F表示）对齐的指标，用符号Metric₄表示；获取角度距离Metric₄的取值方法为：若|The3thAxis_H·Ax_F|≥1-σ₃，σ₃是某一人为设定值，0≤σ₃＜0.5，被选择特征在Ax_F轴方向上有一端面FC_j，该端面的中心点（用符号

表示）与虚拟手的原点间的距离（用符号d₃表示）小于某个阈值，即

确定点

所在特征子区域C_i，则指标Metric₄=C_i，否则为空。

步骤4.2：为每个特征子区域C_i定义一个权值变量，用W_i表示，W_i的初值均为0；根据Metric₁至Metric₄的取值，改变特征子区域C_i的权值变量W_i赋值。每当一个指标取值C_i，则将W_i值加1。

步骤4.3：选取特征子区域集合FeaSpaceClass中的权值变量W_i取值最大的特征子区域C_i，将该特征子区域作为虚拟手所要抓握的部位。若有多个特征子区域的权值变量W_i取相同的最大值，则操作虚拟手使其位姿被进一步调整，直到有某个特征子区域取得唯一的权值为止。

步骤五、根据选取规则从虚拟环境基本手势集GesSet中选择一个手势。

所述选取规则具体为：

步骤5.1：根据零件的质量（用符号wgt_P表示）选择手势，具体为：

如果wgt_P≤w₀，w₀为以人为设定值，0kg＜w₀≤1kg，则确定手势类型为捏手势2fNip、3fNip、4fNip、5fNip，然后执行步骤5.2；否则，则确定手势类型为抓握手势AGrab、PGrab、Grasp，然后执行步骤5.3。

步骤5.2：当0kg＜wgt_P≤w₁kg时，选择用2fNip手势；当w₁kg＜wgt_P≤w₂kg时，选择用3fNip手势；当w₂kg＜wgt_P≤w₃kg时，选择用4fNip手势；当w₃kg＜wgt_P≤w₄kg时，选择用4fNip手势；其中，w₁＜w₂<w₃<w₄<w₀。

步骤5.3：当虚拟手所要抓握的特征子区域为球体时，选择抓握手势Grasp；否则，根据虚拟手所要抓握的特征子区域的截面半径（用符号r表示）选择是抓握手势AGrab或者PGrab，具体为：

当0mm＜r≤15mm时，选择用偏握手势AGrab；当15mm＜r≤40mm时，选择用对握手势PGrab。

有益效果

本发明提出的一种虚拟手自动手势选择方法与已有技术相比较，具有以下优点：

①降低了人工操作的负荷，极大地提高了工作效率；

②降低了计算复杂度，可以做到实时人机交互。

附图说明

图1为本发明具体实施例中8种虚拟手势的示意图；其中，（a）为Pnt手势；（b）为2fNip手势；（c）为3fNip手势；（d）为4fNip手势；（e）为5fNip手势；（f）为AGrab手势；（g）为PGrab手势；（h）为Grasp手势；

图2为本发明具体实施例中某一轴零件的特征及特征截面示意图；

其中，1-特征A的截面FC₁；2-特征A；3-特征B的截面FC₂；4-特征B；5-特征C的截面FC₃；6-特征C；7-特征D的截面FC₄；8-特征D；9-特征E的截面FC₅；10-特征E；11-特征E的截面FC₆；

图3为本发明具体实施例中虚拟手抓握轴零件特征D的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明做进一步说明。

一种虚拟手自动手势选择方法，包括：

（1）为虚拟手设计一套在生产中和生活中常用的基本手势，形成虚拟环境基本手势集，用符号GesSet表示。所谓的手势是指参与抓握动作的手指组合和手的形态。

GesSet={Pnt,2fNip,3fNip,4fNip,5fNip,AGrab,PGrab,Grasp}。其中，Pnt为指点手势，指点手势为手背朝上，食指伸直摆放，拇指张开与手掌在同一平面并与食指成正交，其余三指指尖自然弯曲向下；2fNip代表用拇指和食指合作的捏手势；3fNip代表拇指、食指和中指合作的捏手势；4fNip代表用拇指与除小指外的其它四指合作构成的捏手势；5fNip代表用拇指与其它四指合作构成的捏手势；AGrab代表拇指所指方向垂直于其余并拢弯曲的四指每个手指所在平面的抓握手势，也称为偏握手势；PGrab代表拇指与其余四指相扣，拇指所在平面平行于其它弯曲四指各手指所在平面的抓握手势，也称为对握手势；Grasp代表五指均匀侧向张开并向内弯曲的抓握手势。设定指点手势Pnt为初始手势，任何抓握手势都是从此手势转化而来。在4个捏手势中（2fNip,3fNip,4fNip，5fNip），都是拇指指尖与其它参与捏手势的手指指尖相对。

定义相关参数：

定义虚拟手局部坐标系：定义虚拟手的掌心一点为虚拟手局部坐标系原点，用O_H表示；定义穿过中心点O_H与指点手势的食指所指方向同向的轴为虚拟手局部坐标系的主轴方向，用Major_H表示；定义在手掌平面上与主轴正交的轴线且其与拇指指尖所指方向夹角为锐角的方向为虚拟手局部坐标系的副轴方向，用Minor_H表示；定义与Major_H-Minor_H平面即手掌平面正交且从手背指向手心的的方向为第三轴方向，用The3thAxis_H表示，此三个轴构成右手定则。

定义拇指的3个关节点和指尖顶点，从根部到指尖顺序分别是拇指第一关节点、拇指第二关节点，拇指第三关节点和拇指指尖顶点，分别用O_T1、O_T2、O_T3、O_T4表示。O_T1和O_T2之间的距离、O_T2和O_T3之间的距离、O_T3到O_T4的距离分别用l_T1、l_T2、l_T3表示。食指的3个关节点和指尖顶点，从根部到指尖顺序分别是食指第一关节点、食指第二关节点、食指第三关节点和食指指尖顶点，分别用O_I1、O_I2、O_I3、O_I4表示。O_I1和O_I2之间的距离、O_I2和O_I3之间的距离、O_I3到O_I4的距离分别用l_I1、l_I2和l_I3表示。中指的3个关节点和中指指尖顶点，从根部到指尖顺序分别是中指第一关节点、中指第二关节点，中指第三关节点和中指指尖顶点，分别用O_M1、O_M2、O_M3、O_M4表示。O_M1和O_M2之间的距离、O_M2和O_M3之间的距离、O_M3到O_M4的距离分别用l_M1、l_M2、l_M3表示。无名指的3个关节点，从根部到指尖顺序分别是无名指第一关节点、无名指第二关节点、无名指第三关节点和无名指指尖顶点，分别用O_R1、O_R2、O_R3、O_R4表示。O_R1和O_R2之间的距离、O_R2和O_R3之间的距离、O_R3和O_R4之间的距离分别用l_R1、l_R2、l_R3表示。小指的3个关节点，从根部到指尖顺序分别是小指第一关节点、小指第二关节点，小指第三关节点和小指指尖顶点，分别用O_S1、O_S2、O_S3、O_S4表示。O_S1和O_S2之间的距离、O_S2和O_S3之间的距离、O_S3和O_S4之间的距离分别用l_S1、l_S2、l_S3表示。各手指的第一关节点到第二关节点的部分称为第一指节，第二关节点到第三关节点的部分称为第二指节，第三关节点到指尖顶点的部分称为第三指节。

定义5个矢量vec_HT1、vec_HI1、vec_HM1、vec_HR1、vec_HS1；其中，vec_HT1表示原点O_H到拇指的第一关节点O_T1的矢量，vec_T1H=O_T1-O_H；vec_HI1表示原点O_H到食指的第一关节点O_I1到的矢量，vec_I1H=O_I1-O_H；vec_HM1表示原点O_H到中指的第一关节点O_M1的矢量，vec_M1H=O_M1-O_H；vec_HR1表示原点O_H到无名指的第一关节点O_R1的矢量，vec_R1H=O_R1-O_H；vec_HS1表示原点O_H到小指的第一关节点O_S1的矢量，vec_S1H=O_S1-O_H。

定义拇指的3种状态和2种状态转换方式。拇指的3种状态分别用S_T1、S_T2和S_T3表示；2种状态转换方式分别用T_T1和T_T2表示。拇指的状态S_T1是拇指与食指并拢，拇指指尖所指方向与Major_H轴方向相同；拇指的状态S_T2是拇指与食指分开，拇指指尖指向与Minor_H轴方向一致；拇指的状态S_T3是拇指与食指分开，拇指指尖指向与The3thAxis_H轴方向相同。拇指的状态转换方式T_T1是拇指在Major_H-Minor_H平面的转动，即拇指从状态S_T1向状态S_T2转换或从状态S_T2向状态S_T1转换的运动过程；拇指的状态转换方式T_T2是拇指在Minor_H-The3thAxis_H平面上的旋转运动，即拇指从状态S_T2向状态S_T3转换或从状态S_T3向状态S_T2转换的运动过程。

定义手指的运动方式：

定义拇指各指节的旋转角度。拇指从状态S_T2开始，在Major_H-Minor_H平面的运动时，拇指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_T12、θ_T22和θ_T32表示；拇指从状态S_T3开始，在Minor_H-The3thAxis_H平面上运动时，拇指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_T13、θ_T23和θ_T33表示。

定义除拇指外其它四指的运动方式。第一种运动方式是食指、无名指和小指在Major_H-Minor_H平面内的侧向移动，中指在Major_H-Minor_H平面上没有侧向运动；第二种运动方式是食指、中指、无名指和小指分别由伸直状态朝向手心的弯曲运动。在第一种运动方式中，食指、无名指和小指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动角度分别用θ_IS、θ_RS和θ_SS表示。在第二种运动方式中，食指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_I1、θ_I2和θ_I3表示；中指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_M1、θ_M2和θ_M3表示；无名指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_R1、θ_R2和θ_R3表示；小指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_S1、θ_S2和θ_S3表示。

在上述参数定义的基础上，使用定义的参数对虚拟环境基本手势集GesSet中的8种手势进行描述。

指点手势Pnt如图1（a）所示，为手背朝上，食指伸直摆放，拇指自然伸展，处于状态S_T2，其余三指指尖自然弯曲向下；因此指点手势Pnt的参数描述为：Pnt={vec_I1I4=Major_H，θ_T12=θ₁₁，θ_T22=θ₁₂，θ_T32=θ₁₃，θ_I1=θ₁₄，θ_I2=θ₁₅，θ_I3=θ₁₆，θ_M1=θ₄，θ_M2=θ₅，θ_M3=θ₆，θ_R1=θ₄，θ_R2=θ₅，θ_R3=θ₆，θ_S1=θ₄，θ_S2=θ₅，θ_S3=θ₆}；其中，vec_I1I4表示从食指的第一关节点O_I1到拇指指尖O_I4的矢量；θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃、θ₄、θ₅、θ₆均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指和食指合作的捏手势2fNip如图1（b）所示，其运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，然后拇指和食指相对运动直到指尖中心接触为止。捏手势2fNip的终止状态参数描述为：2fNip={norm((O_I1-O_T1)×(O_T2-O_T1))=norm((O_I2-O_T1)×(O_T2-O_T1))，θ_T13=θ₂₁，θ_T23=θ₂₂，θ_T33=θ₂₃，θ_I1=θ₂₄，θ_I2=θ₂₅，θ_I3=θ₂₆}；其中，norm(·)中的各参数为矢量，norm(·)表示取该矢量的方向；θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指、食指和中指合作的捏手势3fNip如图1（c）所示，其运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，然后食指和中指与拇指相对运动直到指尖中部接触为止。捏手势3fNip的终止状态参数描述为：3fNip={norm((O_I1+O_M1-2O_T1)×(O_T2-O_T1))=norm((O_I2+O_M2-2O_T1)×(O_T2-O_T1))，θ_T13=θ₃₁，θ_T23=θ₃₂，θ_T33=θ₃₃，θ_I1=θ₃₄，θ_I2=θ₃₅，θ_I3=θ₃₆，θ_M1=θ₃₇，θ_M2=θ₃₈，θ_M3=θ₃₉}；其中，θ₃₁、θ₃₂、θ₃₃、θ₃₄、θ₃₅、θ₃₆、θ₃₇、θ₃₈、θ₃₉均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指与除小指外的其它四指合作构成的捏手势4fNip如图1（d）所示，其运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，然后拇指与食指、中指以及无名指相对运动直到指尖中部接触为止。捏手势4fNip的终止状态参数描述为：4fNip={norm((O_M1-O_T1)×(O_T2-O_T1))=norm((O_M2-O_T1)×(O_T2-O_T1))，，θ_T13=θ₄₁，θ_T23=θ₄₂，θ_T33=θ₄₃，θ_I1=θ₄₄，θ_I2=θ₄₅，θ_I3=θ₄₆，θ_M1=θ₄₇，θ_M2=θ₄₈，θ_M3=θ₄₉，θ_R1=θ₅₀，θ_R2=θ₅₁，θ_R3=θ₅₂}；其中，θ₄₁、θ₄₂、θ₄₃、θ₄₄、θ₄₅、θ₄₆、θ₄₇、θ₄₈、θ₄₉、θ₅₀、θ₅₁、θ₅₂均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指与其它四指合作构成的捏手势5fNip如图1（e）所示，其运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，然后拇指与食指、中指、无名指以及小指相对运动直到指尖中部接触为止。捏手势5fNip的终止状态参数描述为：5fNip={norm((O_M1+O_R1-2O_T1)×(O_T2-O_T1))=norm((O_M2+O_R2-2O_T1)×(O_T2-O_T1)),,θ_T13=θ₅₃，θ_T23=θ₅₄，θ_T33=θ₅₅，θ_I1=θ₅₆，θ_I2=θ₅₇，θ_I3=θ₅₈，θ_M1=θ₅₉，θ_M2=θ₆₀，θ_M3=θ₆₁,θ_R1=θ₆₂，θ_R2=θ₆₃，θ_R3=θ₆₄，θ_S1=θ₆₅，θ_S2=θ₆₆，θ_S3=θ₆₇}；其中，θ₅₃、θ₅₄、θ₅₅、θ₅₆、θ₅₇、θ₅₈、θ₅₉、θ₆₀、θ₆₁、θ₆₂、θ₆₃、θ₆₄、θ₆₅、θ₆₆、θ₆₇均为[0,180°]之间的某一定值。

拇指与其余并拢弯曲的四指各手指所在平面垂直的抓握手势AGrab如图1（f）所示，其运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指运动到状态S_T2，其余四指伸直，然后食指、中指、无名指和小指并行同步弯曲至最大角度。抓握手势AGrab的终止状态参数描述为：AGrab={θ_T12=θ₆₈，θ_T22=θ₆₉，θ_T32=θ₇₀，θ_I1=θ_1Max，θ_I2=θ_2Max，θ_I3=θ_3Max，θ_M1=θ_1Max，θ_M2=θ_2Max，θ_M3=θ_3Max，θ_R1=θ_1Max，θ_R2=θ_2Max，θ_R3=θ_3Max，θ_S1=θ_1Max，θ_S2=θ_2Max，θ_S3=θ_3Max}；其中，θ₆₈、θ₆₉、θ₇₀均为[0,180°]之间的某一定值；θ_1Max、θ_2Max、θ_3Max分别为各手指第一指节、第二指节、第三指节的最大弯曲角度。

拇指与其它四指相扣形成的抓握手势PGrab如图1（g）所示，其运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指转换到状态S_T3，其余四指伸直，然后拇指与其余四指相对运动，食指、中指、无名指和小指并行同步弯曲运动。抓握手势PGrab的终止状态参数描述为：PGrab={θ_T13=θ₇₁，θ_T23=θ₇₂，θ_T33=θ₇₃，θ_I1=θ₇₄，θ_I2=θ₇₅，θ_I3=θ₇₆，θ_M1=θ₇₄，θ_M2=θ₇₅，θ_M3=θ₇₆，θ_R1=θ₇₄，θ_R2=θ₇₅，θ_R3=θ₇₆，θ_S1=θ₇₄，θ_S2=θ₇₅，θ_S3=θ₇₆}；其中，θ₇₁、θ₇₂、θ₇₃、θ₇₄、θ₇₅、θ₇₆均为[0,180°]之间的某一定值；

五指均匀散开并向内弯曲的抓握手势Grasp如图1（h）所示，其运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指转换到状态S_T3，其余四指伸直与手掌共面并侧向张开，然后拇指与其余四指并行向内弯曲做相对运动，直到拇指与中指和无名指指尖接触为止。抓握手势Grasp的终止状态参数描述为：Grasp={θ_T13=θ₇₇，θ_T23=θ₇₈，θ_T33=θ₇₉；θ_IS=θ_SMax，θ_I1=θ₈₀，θ_I2=θ₈₁，θ_I3=θ₈₂；θ_M1=θ₈₀，θ_M2=θ₈₁，θ_M3=θ₈₂；θ_RS=-θ_SMax，θ_R1=θ₈₀，θ_R2=θ₈₁，θ_R3=θ₈₂；θ_SS=-θ_SMax，θ_S1=θ₈₀，θ_S2=θ₈₁，θ_S3=θ₈₂}。上述角度等式中右侧均为某常数值。其中，θ₇₇、θ₇₈、θ₇₉、θ₈₀、θ₈₁、θ₈₂均为[0,180°]之间的某一定值；θ_SMax是食指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动的最大角度；-θ_SMax是无名指和小指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动的最大角度。

（2）图2中是一个轴零件，包括：特征A（2）、特征B（4）、特征C（6）、特征D（8）和特征E（10）。

虚拟手抓握一个轴零件（如图2所示）的手势选择过程如下：

步骤一、用零件特征自身的端面作为分割平面，构造零件的二叉空间分割树BSPTree。首先选择特征C（6）的截面FC₃（5）作为第一层分割平面，分割空间成左右两个部分。特征A（2）、特征B（4）将被包含在左子树所代表的子空间内，特征C（6）、特征D（8）和特征E（10）将被包含在右子树所代表的子空间内。取特征B（4）的截面FC₂（3）和特征D（8）的截面FC₄（7）作为第二层分割平面分别对左右两个子空间继续分割，其中特征A（2）和特征B（4）分别落在其中的一个子空间内，同样，特征C（6）也落在其中一个子空间内，但特征D（8）和特征E（10）仍然在一个子空间内。取特征E（10）的截面FC₅（9）继续分割D（8）和特征E（10）所在的子空间为左右两个子空间，这样，D（8）和特征E（10）将分别被一个子空间所包含。如上将零件及零件外围空间分割成5个特征子空间，每个特征子空间中仅包含一个特征。

步骤二、针对步骤一得到的每个特征子空间，构造该特征子空间所包含的特征的一个空间分割FeaSpaceClass。

以特征A（2）为例，构造它的一个空间分割FeaSpaceClass的具体方法为：

步骤2.1：获取该特征子空间所包含的特征的端面数量：特征A（2）有2个端面。

步骤2.2：将步骤2.1得到的所述特征的端面进行区分，特征A（2）有1个开放端面截面FC₁（1）和1个封闭端面。

步骤2.3：依次对每个开放端面做如下操作：将穿过开放端面的轴线与该开放端面的交点作为起点，用符号O_f表示，沿轴线向零件内部方向，取20mm，该端点用符号O_δ表示，经过O_δ点做一与所述开放端面平行的截面，将该截面与所述开放端面之间的部分作为特征子区域C₁。

步骤2.4：将剩余部分作为特征子区域C₂。

经过上述步骤的操作，即完成对特征A（2）的一个空间分割FeaSpaceClass的构造。采用同样方法，特征B（4）、特征C（6）、特征D（8）均只构造出1个特征子区域，特征E（10）构造出2个特征子区域。

步骤三、用户通过简单三维输入设备对虚拟手进行位姿操控，使其接近目标零件，并使虚拟手的方向为非背对目标零件的某一朝向，此时虚拟手为指点手势。然后，继续移动虚拟手使食指指尖O_I4处于包含特征D（8）的特征子空间，于是将特征D（8）确定为当前待抓握的特征。

步骤四、设计一组用于判断虚拟手的抓握位置的指标，并根据该组指标的具体取值综合判断虚拟手的抓握位置；具体为：

步骤4.1：设计指标①至指标④，分别用符号Metric₁至Metric₄表示。每个指标的取值将是特征子区域集合FeaSpaceClass中的某个特征子区域C_i或者为空。

指标①是虚拟手的原点与特征的距离指标，用符号Metric₁表示；获取距离Metric₁的取值方法为：从虚拟手局部坐标系原点O_H做垂直于特征主轴的一个平面，交主轴上一点，用符号O'_H表示，当点O_H与点O'_H之间的距离小于某一人为预先设定阈值时，确定点O'_H所在特征子区域为C₁，指标Metric₁=C₁。

指标②是虚拟手的食指指尖与特征表面距离指标，用符号Metric₂表示；获取距离Metric₂的取值方法为：过食指指尖O_I4做垂直于特征主轴的平面，该平面与特征表面相交，求交线上与O_I4点距离最近点，用符号O'_Itip表示，当点O_I4与点O'_Itip之间的距离小于某一人为预先设定阈值时，确定点O'_Itip所在特征子区域为C₁，指标Metric₂=C₁。

指标③是虚拟手的食指光线投射指标，用符号Metric₃表示。获取食指光线投射指标Metric₃的取值方法为：沿从食指指根O_I1到指尖O_I4的矢量方向投射一条光线穿越特征近表面的一点，用符号P表示，确定点P所在特征子区域为C₁，指标Metric₃=C₁。

指标④是虚拟手的The3thAxis_H轴（即手心的朝向方向）与特征的某一个中心轴线（用符号Ax_F表示）对齐的指标，用符号Metric₄表示；获取角度距离Metric₄的取值方法为：若|The3thAxis_H·Ax_F|≥1-σ₃，σ₃是某一人为设定值，0≤σ₃＜0.5，被选择特征轴方向Ax_F为空，指标Metric₄的值为空。

步骤4.2：为特征D（8）特征子区域C₁定义一个权值变量F₁，F₁的初值为0；根据Metric₁至Metric₄的取值，使特征子区域C₁的权值变量F₁取值为3。

步骤4.3：选取特征子区域集合FeaSpaceClass中的权值变量最大的特征子区域C₁，将该特征子区域作为虚拟手所要抓握的部位。

步骤五、根据选取规则从虚拟环境基本手势集GesSet中选择一个手势。

所述选取规则具体为：

步骤5.1：根据零件的质量wgt_P=5kg选择手势，具体为：

wgt_P>w₀，w₀=1kg，因此确定手势类型为抓握手势AGrab、PGrab、Grasp，然后执行步骤5.3。

步骤5.3：根据虚拟手所要抓握的特征子区域的截面半径r=30mm选择用对握手势PGrab。

经过上述步骤的操作，即完成虚拟手的手势选择。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种虚拟手自动手势选择方法，其特征在于：其包括：

（1）为虚拟手设计一套在生产中和生活中常用的基本手势，形成虚拟环境基本手势集，用符号GesSet表示；所谓的手势是指参与抓握动作的手指组合和手指形态；

GesSet={Pnt,2fNip,3fNip,4fNip,5fNip,AGrab,PGrab,Grasp}；其中，Pnt为指点手势，指点手势为手背朝上，食指伸直摆放，拇指与手掌在同一平面并张开与食指成直角摆放其余三指指尖自然弯曲向下；2fNip代表用拇指和食指合作的捏手势；3fNip代表拇指、食指和中指合作的捏手势；4fNip代表用拇指与除小指外的其它四指合作构成的捏手势；5fNip代表用拇指与其它四指合作构成的捏手势；AGrab代表除拇指外其余并拢弯曲的四指所构成的抓握手势，拇指所指方向垂直于其余手指所在的每个平面，也称为偏握手势；PGrab代表拇指与其余并拢的四指相对，拇指所在平面平行于其它弯曲四指各手指所在平面的抓握手势，也称为对握手势；Grasp代表五指均匀侧向张开然后弯曲握紧的抓握手势；设定指点手势Pnt为初始手势，任何抓握手势都是从此手势转化而来；在4个捏手势中：2fNip,3fNip,4fNip，5fNip，都是拇指指尖与其它参与捏手势的部分手指指尖相对；

（2）设计虚拟手的手势选择方法，具体操作步骤为：

步骤一、用零件特征自身的端面作为分割平面，构造零件的二叉空间分割树，用符号BSPTree表示；通过该零件的二叉空间分割树BSPTree，将零件及零件外围空间分割成若干特征子空间；

所述特征是一些特定的三维几何形状，是组成零件对象的基本单位；所述特定的三维几何形状包括：长方体、圆柱体或圆柱体的一部分、孔、槽、球体或球体的一部分、圆锥体或圆锥体的一部分；为每个特征定义笛卡尔局部坐标系：将每个特征的几何中心点定义为该特征的局部坐标系的原点；每个特征的中心轴线均作为该特征的笛卡尔局部坐标系的坐标轴，以及描述其三维空间占有的尺寸数据等参数，同时它有由表面面片所构成的视觉表示；

步骤二、针对步骤一得到的每个特征子空间，构造该特征子空间所包含的特征的一个空间分割，该分割集用符号FeaSpaceClass表示，FeaSpaceClass={C₁,C₂,…,C_n}；其中，C₁,C₂,…,C_n分别表示该特征被分割成的n个特征子区域；

步骤三、用户通过简单三维输入设备对虚拟手进行位姿操控，使其接近目标零件，并使虚拟手的方向为非背对目标零件的某一朝向，此时虚拟手为指点手势；然后，确定虚拟手的食指指尖O_I4所处的特征子空间，将该特征子空间包含的特征确定为当前待抓握的特征；

步骤四、设计一组用于判断虚拟手的抓握位置的指标，并根据该组指标的具体取值综合判断虚拟手的抓握位置；具体为：

步骤4.1：设计指标①至指标④，分别用符号Metric₁至Metric₄表示；每个指标的取值将是特征子区域集合FeaSpaceClass中的某个特征子区域C_i或者为空；

指标①是虚拟手的原点与特征的距离指标，用符号Metric₁表示；获取距离Metric₁的取值方法为：从虚拟手局部坐标系原点O_H做垂直于特征主轴的一个平面，交主轴上一点，用符号O′_H表示，当点O_H与点O′_H之间的距离小于某一人为预先设定阈值时，确定点O′_H所在特征子区域C_i，1≤i≤n，即C_i∈FeaSpaceClass，则指标Metric₁=C_i，否则为空；

指标②是虚拟手的食指指尖与特征表面距离指标，用符号Metric₂表示；获取距离Metric₂的取值方法为：过食指指尖O_I4做垂直于特征主轴的平面，该平面与特征表面相交，求交线上与O_I4点距离最近点，用符号O′_Itip表示，当点O_I4与点O′_Itip之间的距离小于某一人为预先设定阈值时，确定点O′_Itip所在特征子区域C_i，则指标Metric₂=C_i，否则为空；

指标③是虚拟手的食指光线投射指标，用符号Metric₃表示；获取食指光线投射指标Metric₃的取值方法为：沿从食指指根O_I1到指尖O_I4的矢量方向投射一条光线穿越特征近表面的一点，用符号P表示，确定点P所在特征子区域C_i，则指标Metric₃=C_i，否则为空；

指标④是虚拟手的The3thAxis_H轴与特征的某一个轴线Ax_F对齐的指标，用符号Metric₄表示；获取角度距离Metric₄的取值方法为：若|The3thAxis_H·Ax_F|≥1-σ₃，σ₃是某一人为设定值，0≤σ₃＜0.5，被选择特征在Ax_F轴方向上有一端面FC_j，该端面的中心点O_fj与虚拟手的原点间的距离d₃小于某个阈值，即d₃＝dist(O_fj，O_H)≤σ₄，确定点O_fj所在特征子区域C_i，则指标Metric₄=C_i，否则为空；

步骤4.2：为每个特征子区域C_i定义一个权值变量，用W_i表示，W_i的初值均为0；根据Metric₁至Metric₄的取值，改变特征子区域C_i的权值变量W_i赋值；每当一个指标取值C_i，则将W_i值加1；

步骤4.3：选取特征子区域集合FeaSpaceClass中的权值变量W_i取值最大的特征子区域C_i，将该特征子区域作为虚拟手所要抓握的部位；若有多个特征子区域的权值变量W_i取相同的最大值，则操作虚拟手使其位姿被进一步调整，直到有某个特征子区域取得唯一的权值为止；

步骤五、根据选取规则从虚拟环境基本手势集GesSet中选择一个手势；

所述选取规则具体为：

步骤5.1：根据零件的质量wgt_P选择手势，具体为：

如果wgt_P≤w₀，w₀为以人为设定值，0kg＜w₀≤1kg，则确定手势类型为捏手势2fNip、3fNip、4fNip、5fNip，然后执行步骤5.2；否则，则确定手势类型为抓握手势AGrab、PGrab、Grasp，然后执行步骤5.3；

步骤5.2：当0kg＜wgt_P≤w₁kg时，选择用2fNip手势；当w₁kg＜wgt_P≤w₂kg时，选择用3fNip手势；当w₂kg＜wgt_P≤w₃kg时，选择用4fNip手势；当w₃kg＜wgt_P≤w₄kg时，选择用4fNip手势；其中，w₁＜w₂<w₃<w₄<w₀；

步骤5.3：当虚拟手所要抓握的特征子区域为球体时，选择抓握手势Grasp；否则，根据虚拟手所要抓握的特征子区域的截面半径r选择是抓握手势AGrab或者PGrab，具体为：

当0mm＜r≤15mm时，选择用偏握手势AGrab；当15mm＜r≤40mm时，选择用对握手势PGrab。

2.如权利要求1所述的一种虚拟手自动手势选择方法，其特征在于：所述虚拟环境基本手势集GesSet中的8种手势的相关参数定义为：

定义虚拟手局部坐标系：定义虚拟手的掌心某一点为虚拟手局部坐标系原点，用OH表示；定义穿过坐标原点且与指点手势的食指矢量同方向的轴为虚拟手局部坐标系的主轴，用Major_H表示；定义在手掌平面上穿过坐标原点与主轴正交的轴线且与拇指指尖所指方向成锐角的方向为虚拟手局部坐标系的副轴方向，用Minor_H表示；定义穿过坐标原点与Major_H-Minor_H平面即手掌平面正交且从手背指向手心的的方向为第三轴方向，用The3thAxis_H表示，此三个轴构成右手定则；

定义手指的3个关节点和指尖顶点；对于拇指，从根部到指尖顺序分别是拇指第一关节点、拇指第二关节点，拇指第三关节点和拇指指尖顶点，分别用O_T1、O_T2、O_T3、O_T4表示；O_T1和O_T2之间的距离、O_T2和O_T3之间的距离、O_T3和O_T4之间的距离分别用l_T1、l_T2、l_T3表示；食指的3个关节点和指尖顶点，从根部到指尖顺序分别是食指第一关节点、食指第二关节点、食指第三关节点和食指指尖顶点，分别用O_I1、O_I2、O_I3、O_I4表示；O_I1和O_I2之间的距离、O_I2和O_I3之间的距离、O_I3和O_I4之间的距离分别用l_I1、l_I2和l_I3表示；中指的3个关节点和中指指尖顶点，从根部到指尖顺序分别是中指第一关节点、中指第二关节点，中指第三关节点和中指指尖顶点，分别用O_M1、O_M2、O_M3、O_M4表示；O_M1和O_M2之间的距离、O_M2和O_M3之间的距离、O_M3和O_M4之间的距离分别用l_M1、l_M2、l_M3表示；无名指的3个关节点，从根部到指尖顺序分别是无名指第一关节点、无名指第二关节点、无名指第三关节点和无名指指尖顶点，分别用O_R1、O_R2、O_R3、O_R4表示；O_R1和O_R2之间的距离、O_R2和O_R3之间的距离、O_R3和O_R4之间的距离分别用l_R1、l_R2、l_R3表示；小指的3个关节点，从根部到指尖顺序分别是小指第一关节点、小指第二关节点，小指第三关节点和小指指尖顶点，分别用O_S1、O_S2、O_S3、O_S4表示；O_S1和O_S2之间的距离、O_S2和O_S3之间的距离、O_S3和O_S4之间的距离分别用l_S1、l_S2、l_S3表示；各手指的第一关节点到第二关节点的部分称为第一指节，第二关节点到第三关节点的部分称为第二指节，第三关节点到指尖顶点的部分称为第三指节；

定义5个矢量vec_HT1、vec_HI1、vec_HM1、vec_HR1、vec_HS1；其中，vec_HT1表示原点O_H到拇指的第一关节点O_T1的矢量，vec_HT1＝O_T1-O_H；vec_HI1表示原点O_H到食指的第一关节点O_I1到的矢量，vec_HI1＝O_I1-O_H；vec_HM1表示原点O_H到中指的第一关节点O_M1的矢量，vec_HM1＝O_M1-O_H；vec_HR1表示原点O_H到无名指的第一关节点O_R1的矢量，vec_HR1＝O_R1-O_H；vec_HS1表示原点O_H到小指的第一关节点O_S1的矢量，vec_HS1＝O_S1-O_H；

定义拇指的3种状态和2种状态转换方式；拇指的3种状态分别用S_T1、S_T2和S_T3表示；2种状态转换方式分别用T_T1和T_T2表示；拇指的状态S_T1是拇指与食指并拢，拇指指尖所指方向与Major_H轴方向相同；拇指的状态S_T2是拇指与食指分开，拇指指尖指向与Minor_H轴方向相同；拇指的状态S_T3是拇指与食指分开，拇指指尖指向与The3thAxis_H轴方向相同；拇指的状态转换方式T_T1是拇指在Major_H-Minor_H平面的转动，即拇指从状态S_T1向状态S_T2转换或从状态S_T2向状态S_T1转换的运动过程；拇指的状态转换方式T_T2是拇指在Minor_H-The3thAxis_H平面上的旋转运动，即拇指从状态S_T2向状态S_T3转换或从状态S_T3向状态S_T2转换的运动过程；

定义手指的运动方式：

定义拇指各指节的旋转角度；拇指从状态S_T2开始，拇指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_T12、θ_T22和θ_T32表示；拇指从状态S_T3开始，拇指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_T13、θ_T23和θ_T33表示；

定义除拇指外其它四指的运动方式；第一种运动方式是食指、无名指和小指在Major_H-Minor_H平面内的侧向移动，中指在Major_H-Minor_H平面上没有侧向运动；第二种运动方式是食指、中指、无名指和小指分别由伸直状态朝向手心的弯曲运动和其逆运动；在第一种运动方式中，食指、无名指和小指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动角度分别用θ_IS、θ_RS和θ_SS表示；在第二种运动方式中，食指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_I1、θ_I2和θ_I3表示；中指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_M1、θ_M2和θ_M3表示；无名指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_R1、θ_R2和θ_R3表示；小指的第一指节至第三指节的旋转角度分别用θ_S1、θ_S2和θ_S3表示。

3.如权利要求2所述的一种虚拟手自动手势选择方法，其特征在于：所述虚拟环境基本手势集GesSet中的8种手势的参数描述为：

指点手势Pnt为手背朝上，食指伸直摆放，拇指自然伸展，处于状态S_T2，其余三指指尖自然弯曲向下；因此指点手势Pnt的参数描述为：

Pnt={vec_I1I4＝Major_H，θ_T12＝θ₁₁，θ_T22＝θ₁₂，θ_T32＝θ₁₃，θ_I1＝θ₁₄，θ_I2＝θ₁₅，θ_I3＝θ₁₆，θ_M1＝θ₁₇，θ_M2＝θ₁₈，θ_M3＝θ₁₉，θ_R1＝θ₁₇，θR2＝θ₁₈，θ_R3＝θ₁₉，θ_S1＝θ₁₇，θ_S2＝θ₁₈，θ_S3＝θ₁₉}；其中，vec_I1I4表示从食指的第一关节点O_I1到拇指指尖O_I4的矢量；θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃、θ₁₄、θ₁₅、θ₁₆、θ₁₇、θ₁₈、θ₁₉均为[0,180°]之间的某一定值；

拇指和食指合作的捏手势2fNip的描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，然后拇指和食指相对运动直到指尖中心接触为止；捏手势2fNip的终止状态参数描述为：2fNip={norm((O_I1-O_T1)×(O_T2-O_T1))＝norm((O_I2-O_T1)×(O_T2-O_T1))，θ_T13＝θ₂₁，θ_T23＝θ₂₂，θ_T33＝θ₂₃，θ_I1＝θ₂₄，θ_I2＝θ₂₅，θ_I3＝θ₂₆}；其中，norm(·)中的各参数为矢量，norm(·)表示取该矢量的方向；θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆均为[0,180°]之间的某一定值；

拇指、食指和中指合作的捏手势3fNip的描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，同时中指伸直与食指并拢，其它手指状态不变；然后食指和中指与拇指做并行相对运动，分别做向内弯曲直到拇指指尖与食指和中指指尖接触为止；捏手势3fNip的终止状态参数描述为：3fNip={norm((O_I1+O_M1-2O_T1)×(O_T2-O_T1))＝norm((O_I2+O_M2-2O_T1)×(O_T2-O_T1))，θ_T13＝θ₂₁，θ_T23＝θ₂₂，θ_T33＝θ₂₃，θ_I1＝θ₂₄，θ_I2＝θ₂₅，θ_I3＝θ₂₆，θ_M1＝θ₃₄，θ_M2＝θ₃₅，θ_M3＝θ₃₆}；其中，θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆、θ₃₄、θ₃₅、θ₃₆均为[0,180°]之间的某一定值；

拇指与除小指外的其它四指合作构成的捏手势4fNip的描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，同时中指和无名指伸直与食指并拢，小指状态不变；然后食指、中指和无名指与拇指做并行相对运动，分别做向内弯曲直到拇指指尖与中指指尖接触为止；捏手势4fNip的终止状态参数描述为：4fNip={norm((O_M1-O_T1)×(O_T2-O_T1))＝norm((O_M2-O_T1)×(O_T2-O_T2))，，θ_T13＝θ₂₁，θ_T23＝θ₂₂，θ_T33＝θ₂₃，θ_I1＝θ₂₄，θ_I2＝θ₂₅，θ_I3＝θ₂₆，θ_M1＝θ₃₄，θ_M2＝θ₃₅，θ_M3＝θ₃₆，θ_R1＝θ₄₄，θ_R2＝θ₄₅，θ_R3＝θ₄₆}；其中，θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆、θ₂₄、θ₃₅、θ₃₆、θ₄₄、θ₄₅、θ₄₆均为[0,180°]之间的某一定值；

拇指与其它四指合作构成的捏手势5fNip的运动过程描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指从状态S_T2转换到状态S_T3，然后拇指与食指、中指、无名指以及小指并行相对运动，各手指同步向内做弯曲运动，直到拇指指尖与其余四指指尖接触为止；捏手势5fNip的终止状态参数描述为：5fNip={norm((O_M1+O_R1-2O_T1)×(O_T2-O_T1))＝norm((O_M2+O_R2-2O_T1)×(O_T2-O_T1))，θ_T13＝θ₂₁，θ_T23＝θ₂₂，θ_T33＝θ₂₃，θ_I1＝θ₂₄，θ_I2＝θ₂₅，θ_I3＝θ₂₆，θ_M1＝θ₃₄，θ_M2＝θ₃₅，θ_M3＝θ₃₆,θ_R1＝θ₄₄，θ_R2＝θ₄₅，θ_R3＝θ₄₆，θ_S1＝θ₅₄，θ_S2＝θ₅₅，θ_S3＝θ₅₆}；其中，θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃、θ₂₄、θ₂₅、θ₂₆、θ₃₄、θ₃₅、θ₃₆、θ₄₄、θ₄₅、θ₄₆、θ₅₄、θ₅₅、θ₅₆均为[0,180°]之间的某一定值；

偏握手势AGrab是拇指与其余并拢弯曲的四指的每个手指所在平面垂直的手势，其描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指保持状态S_T2不变，中指、无名指和小指同时伸直并保持与食指并拢，然后食指、中指、无名指和小指并行同步向内弯曲至最大角度；抓握手势AGrab的终止状态参数描述为：AGrab={θ_T12＝θ₆₁，θ_T22＝θ₆₂，θ_T32＝θ₆₃，θ_I1＝θ_1Max，θ_I2＝θ_2MAX，θ_I3＝θ_3Max，θ_M1＝θ_1Max，θ_M2＝θ_2Max，θ_M3＝θ_3Max，θ_R1＝θ_1Max，θ_R2＝θ_2Max，θ_R3＝θ_3Max，θ_S1＝θ_1Max，θ_S2＝θ_2Max，θ_S3＝θ_3Max}；其中，θ₆₁、θ₆₂、θ₆₃均为[0,180°]之间的某一定值；θ_1Max、θ_2Max、θ_3Max分别为各手指第一指节、第二指节、第三指节的最大弯曲角度；

对握手势PGrab是拇指与其它四指相扣形成的手势，其描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指转换到状态S_T3，中指、无名指和小指伸直与食指并拢，然后拇指与其余四指并行相对运动，食指、中指、无名指和小指并行同步向内做弯曲运动，同时拇指向内做弯曲运动，直到拇指指尖和中指指尖相接触为止；对握手势PGrab的终止状态参数描述为：PGrab={θ_T13＝θ₇₁，θ_T23＝θ₇₂，θ_T33＝θ₇₃，θ_I1＝θ₇₄，θ_I2＝θ₇₅，θ_I3＝θ₇₆，θ_M1＝θ₇₄，θ_M2＝θ₇₅，θ_M3＝θ₇₆，θ_R1＝θ₇₄，θ_R2＝θ₇₅，θ_R3＝θ₇₆，θ_S1＝θ₇₄，θ_S2＝θ₇₅，θ_S3＝θ₇₆}；其中，θ₇₁、θ₇₂、θ₇₃、θ₇₄、θ₇₅、θ₇₆均为[0,180°]之间的某一定值；

抓握手势Grasp是五指均匀散开并同时向内做弯曲运动的手势，其描述为：初始状态为指点手势Pnt，拇指转换到状态S_T3，其余四指伸直与手掌共面并侧向张开，然后拇指与其余四指并行向内做弯曲运动，直到拇指与中指和无名指指尖接触为止；抓握手势Grasp的终止状态参数描述为：Grasp={θ_T13＝θ₈₁，θ_T23＝θ₈₂，θ_T33＝θ₈₃；θ_IS＝θ_SMax，θ_I1＝θ₈₄，θ_I2＝θ₈₅，θ_I3＝θ₈₆；θ_M1＝θ₈₇，θ_M2＝θ₈₈，θ_M3＝θ₈₉；θ_RS＝-θ_SMax，θ_R1＝θ₉₀，θ_R2＝θ₉₁，θ_R3＝θ₉₂；θ_SS＝-θ_SMax，θ_S1＝θ₉₃，θ_S2＝θ₉₄，θ_S3＝θ₉₅}；上述角度等式中右侧均为某常数值；其中，θ₈₁、θ₈₂、θ₈₃、θ₈₄、θ₈₅、θ₈₆、θ₈₇、θ₈₈、θ₈₉、θ₉₀、θ₉₁、θ₉₂、θ₉₃、θ₉₄、θ₉₅均为[0,180°]之间的某一定值；θ_SMax是食指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动的最大角度；-θ_SMax是无名指和小指在Major_H-Minor_H平面的侧向移动的最大角度。

4.如权利要求1至3之一所述的一种虚拟手自动手势选择方法，其特征在于：所述构造某一特征子空间包含的特征的一个空间分割FeaSpaceClass的具体方法为：

步骤2.1：获取该特征子空间所包含的特征的端面数量：如果所述特征为长方体，其端面有6个；如果是圆柱体，其端面有2个；如果是圆柱体经纵向剖分，则其端面有3个；如果球体，其端面数为0个；如果是球体的一部分，其端面有1个；如果圆锥体，其端面有1个；如果圆锥体的一部分，其端面有2个；

步骤2.2：将步骤2.1得到的所述特征的端面加以区分，分为开放端面和封闭端面，获得开放端面的数量；所述开放端面是指该特征端面也是整个零件的边界表面；所述封闭端面是指该特征端面与该零件的另一个特征的端面共面，即是另一个特征端面的一部分而非零件的边界表面；每个特征的开放端面的数量用Num_OpenFC表示；

步骤2.3：依次对每个开放端面做如下操作：将穿过开放端面的轴线与该开放端面的交点作为起点，用符号O_f表示，沿轴线向零件内部方向取σ长度，做一与所述开放端面平行的截面，将该截面与所述开放端面之间的部分作为特征端面子区域C_j，1≤j≤Num_OpenFC，Num_OpenFC=n-1，σ是一人为设定值，0<σ≤50mm；

步骤2.4：将剩余部分作为特征中心子区域C_n；

经过上述步骤的操作，即完成对该特征子空间所包含的特征的一个空间分割FeaSpaceClass的构造。

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