CN110181517B - 一种基于虚拟夹具的双人遥操作训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟夹具的双人遥操作训练方法，把虚拟夹具引导力加入到教练员与新手之间的训练中，导引新手进行操作，新手感受到的引导力的大小与教练员导引操作的偏离程度成正相关系，方向与偏离成相反关系，且虚拟夹具评价指标随新手的训练程度可进行调整。根据新手训练程度，调整新手训练的评价指标，可实时更新训练进程和训练强度。

Description

一种基于虚拟夹具的双人遥操作训练方法
技术领域
本发明属于机器人遥操作领域，涉及一种将虚拟夹具作为训练评价指标，利用虚拟引导力进行操作训练的方法。
背景技术
随着机器人在各个领域的大量应用，以往机器人按照预先编好的指令进行操作的方式已不能满足人们的需要，甚至在某些场景下机器人的自主工作根本不能实现人们的需求。这时，需要人与机器人，甚至是多人与机器人之间共同协作完成操作任务，将人的智力加入到机器人的控制中。因此，现在就面临着人与机器人之间的信息交流和多人之间的操作训练问题。一般将双人操作训练分为教练员与新手两人，教练员指有丰富操作经验的操作员，在操作训练中起导引作用；新手指缺少操作经验的操作员，在操作训练中起辅助作用。因此，针对教练员与新手之间操作训练问题，设计一种采用虚拟夹具的操作训练方法。
前期的研究工作表明，以往教练员与新手之间的训练采用共享控制的方法，通过调节教练员和新手的权重因子大小，实现对新手的训练。但是权重的大小主观性太强，且需要多次尝试，无法满足快速训练新手的目的，且在训练过程中，教练员的引导性不强，新手模仿跟随教练员效果较差。本发明通过将虚拟夹具作为评价指标引入教练员与新手之间的双人操作训练中，在新手的操作上施加虚拟力，能更好地减轻新手的操作压力，提高操作流畅度，减少训练时间。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服共享控制中采用分配权重的方式实现训练新手主观性较大的缺点，本发明提出一种基于虚拟夹具的双人遥操作训练方法。
技术方案
一种基于虚拟夹具的双人遥操作训练方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：建立模型
在操作主端，包括教练员和新手，所述的教练员是指具有丰富操作经验的人员，在操作训练中，起决定控制作用，所述的新手指缺少操作经验的人员，需要在引导下进行操作；在操作从端，包括一个双臂机器人，教练员和新手分别通过手控器控制双臂机器人；在操作训练任务过程中，建立教练员与新手的双人动力学模型：
Figure BDA0002103700660000021
其中，
Figure BDA0002103700660000022
和
Figure BDA0002103700660000023
i＝1,2分别表示教练员和新手对手控器的作用力；
Figure BDA0002103700660000024
和
Figure BDA0002103700660000025
i＝1,2分别表示教练员和新手的控制力；
Figure BDA0002103700660000026
和
Figure BDA0002103700660000027
i＝1,2分别表示教练员和新手左右手驱动力的质量模型阻抗，s为拉普拉斯算子；
Figure BDA0002103700660000028
和
Figure BDA0002103700660000029
i＝1,2分别表示教练员和新手的速度变量；
Figure BDA00021037006600000210
和
Figure BDA00021037006600000211
分别表示从端双臂的控制力；
Figure BDA00021037006600000212
和
Figure BDA00021037006600000213
分别表示从端环境对从端操作双臂的实际作用力；
Figure BDA00021037006600000214
和
Figure BDA00021037006600000215
分别表示从端左右两个机械臂驱动力的质量模型阻抗；
Figure BDA00021037006600000216
和
Figure BDA00021037006600000217
分别表示从端操作臂的速度；
在训练新手的过程中，教练员起导引作用，接受来自从端的环境力，即将从端环境力反馈给教练员：
Fh1＝Fe (2)
其中，
Figure BDA00021037006600000218
表示教练员左手和右手的操作力，
Figure BDA00021037006600000219
表示作用于从端双臂上的从端环境力；
新手根据教练员手的运动，在虚拟夹具的导引下，作用在新手上的虚拟力为：
Fh2＝FVF (3)
其中，
Figure BDA0002103700660000031
表示新手左手和右手的操作力，
Figure BDA0002103700660000032
表示作用于新手上的虚拟夹具引导力，本发明采用导引型虚拟夹具；
因此，建立基于虚拟夹具的教练员对新手的位置模型：
χsd(t)＝αadχh1(t)+α1-adχh2(t) (4)
其中，
Figure BDA0002103700660000033
表示双臂机器人的从端期望位置，
Figure BDA0002103700660000034
和
Figure BDA0002103700660000035
分别表示教练员和新手操作的机器人末端位置，αad表示对应于教练员的评价指标，α1-ad＝1-αad表示对应于新手的评价指标；
步骤2：设计自适应导引型虚拟夹具
本发明采用导引型管道虚拟夹具作为引导新手运动的引导路径，将虚拟夹具评价指标作为新手操作的一个约束；虚拟夹具的生成是由教练员操作的机器人末端位置χh1(t)和管道半径RVF确定的，教练员手的运动路径就是虚拟夹具管道的形状，新手操作的机器人末端位置χh2(t)在虚拟夹具管道内运动，在教练员训练新手操作的过程中，将会有一个阻尼系数为KVF的力加在新手上，防止新手越过教练员加给新手的管道型虚拟夹具的边界；
判断新手操作的机器人末端是否越过教练员手运动生成的虚拟夹具的准则是
Figure BDA0002103700660000036
Figure BDA0002103700660000037
其中，
Figure BDA0002103700660000038
i＝x,y,z和
Figure BDA0002103700660000039
i＝x,y,z分别表示新手操作的机器人左右手的末端位置，
Figure BDA00021037006600000310
j＝x,y,z和
Figure BDA00021037006600000311
j＝x,y,z分别表示教练员操作的机器人左右手的末端位置，
Figure BDA00021037006600000312
和
Figure BDA00021037006600000313
分别为作用在新手操作的左右机械臂上的虚拟夹具管道的半径；
当新手操作的机器人末端超过虚拟夹具管道的时候，此时，加在新手上的虚拟力为FVF＝KVF(χh2-χh1)，其中，
Figure BDA00021037006600000314
KVF为对应于虚拟力的阻尼系数；
根据教练员给予的主观判断和新手受训程度，虚拟夹具管道半径RVF的大小采用下式
RVF＝R0-G0ln(1-α1-ad+ε) (7)
其中，R0为管道最小半径，G0为增益，α1-ad为新手训练的自适应训练律，ε是一个0～0.1的很小的数，目的是确保ln(·)有值；
步骤3：设计虚拟夹具评价指标
将新手感受到的虚拟力作为虚拟夹具评价指标的表现形式，当新手运动方向偏离教练员手的时候，作用在新手上的虚拟力将变大；当新手运动方向能很好地跟随教练员手的时候，作用在新手上的虚拟力将变小；作用于新手上的虚拟力的特性值Πh2(t)，采用基于广义高斯函数表示，即
Figure BDA0002103700660000041
其中，FVF(t)表示t时刻的FVF，δVF和mVF用来描述特性值Πh2(t)的特征，δVF表示高斯函数隐节点的扩展常数，mVF通常取1；
因此，根据特性值Πh2(t)，得到虚拟夹具评价指标如下式，其取值范围为0～1；
αΠ(t)＝1-Πh2(t) (9)
αΠ(t)值为1表示教练员的引导力在操作训练中起绝对作用，新手的运动路径完全不能逾越教练手的运动路径范围；αΠ(t)值为0表示虚拟夹具不起任何作用，新手的运动不受教练员导引的影响；
步骤4：建立新手训练的评价指标
α1-ad＝αΠ(t) (10)
上式的评价指标仅仅考虑了从端反馈给操作者力的影响，以及新手对于操作训练的影响，没有将教练员的主观操控影响考虑进去，但实际上，教练员对整个操控起支配决定作用，并具有否决权，因此，新手训练的评价指标α1-ad修改为
α1-ad＝αΔ(t)·αΠ(t) (11)
其中，0<αΔ<1表示由教练员根据实际操作任务所确定的新手操作修正参数；
步骤5：操作训练
在操作训练中，根据式(11)建立的新手训练的评价指标α1-ad，通过特性值和αΔ的乘积后得到的评价指标实现教练员对新手的操作训练，当α1-ad较小时，教练员对新手的控制较强，新手感受到的虚拟力较大；随着训练的进行，新手熟练度增加，α1-ad也开始增大，教练员对新手的控制减弱，新手能够较好地跟随教练员手的运动，感受到的虚拟力也变小；通过评价指标α1-ad，实现教练员对新手的导引，利用虚拟夹具生成虚拟力，施加在新手上，达到训练新手的目的。
有益效果
本发明提出的一种基于虚拟夹具的双人遥操作训练方法，把虚拟夹具引导力加入到教练员与新手之间的训练中，导引新手进行操作，新手感受到的引导力的大小与教练员导引操作的偏离程度成正相关系，方向与偏离成相反关系，且虚拟夹具评价指标随新手的训练程度可进行调整。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、虚拟管道的设置可以约束新手的运动，虚拟力的大小和方向可以指导新手的操作。2、根据新手训练程度，调整新手训练的评价指标，可实时更新训练进程和训练强度。3、教练员拥有绝对控制权，对整个操作训练起决定性作用，对整个任务能更好地把握。
附图说明
图1为导引型管道虚拟夹具示意图
图2为基于虚拟夹具操作训练的原理框图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于虚拟夹具的双人遥操作训练方法,包括以下步骤：
1)在操作主端，教练员和新手通过手控器分别控制一个双臂机器人，从端是一个双臂机器人，在操作训练任务过程中，建立教练员与新手的双人动力学模型：
Figure BDA0002103700660000061
其中，
Figure BDA0002103700660000062
和
Figure BDA0002103700660000063
i＝1,2分别表示操作者(教练员和新手)对(左/右)手控器的作用力；
Figure BDA0002103700660000064
和
Figure BDA0002103700660000065
i＝1,2分别表示操作者左右手(教练员和新手)的控制力；
Figure BDA0002103700660000066
和
Figure BDA0002103700660000067
i＝1,2分别表示操作者(教练员和新手)左右手驱动力的质量模型阻抗，s为拉普拉斯算子；
Figure BDA0002103700660000068
和
Figure BDA0002103700660000069
i＝1,2分别表示操作者(教练员和新手)的速度变量；
Figure BDA00021037006600000610
和
Figure BDA00021037006600000611
分别表示从端双臂的控制力；
Figure BDA00021037006600000612
和
Figure BDA00021037006600000613
分别表示从端环境对从端操作双臂的实际作用力；
Figure BDA00021037006600000614
和
Figure BDA00021037006600000615
分别表示从端左右两个机械臂驱动力的质量模型阻抗；
Figure BDA00021037006600000616
和
Figure BDA00021037006600000617
分别表示从端操作臂的速度。
在训练新手的过程中，教练员起导引作用，接受来自从端的环境力，即将从端环境力反馈给教练员：
Fh1＝Fe (2)
其中，
Figure BDA00021037006600000618
表示期望的教练员左手和右手的操作力，
Figure BDA00021037006600000619
表示作用于从端双臂机械上的从端环境力。
新手根据教练员手的运动，在虚拟夹具的导引下，作用在新手上的虚拟力为：
Fh2＝FVF (3)
其中，
Figure BDA00021037006600000620
表示期望的新手操作力，
Figure BDA00021037006600000621
表示作用于新手上的虚拟夹具引导力，本发明采用引导型虚拟夹具。
因此，建立基于虚拟夹具的教练员对新手的位置模型：
χsd(t)＝αadχh1(t)+α1-adχh2(t) (4)
其中，
Figure BDA0002103700660000071
表示双臂机器人的从端期望位置，
Figure BDA0002103700660000072
和
Figure BDA0002103700660000073
分别表示教练员和新手操作的机器人末端位置，αad表示对应于教练员的评价指标，α1-ad＝1-αad表示对应于新手的评价指标。
2)自适应导引型虚拟夹具设计
本发明采用导引型管道虚拟夹具(如图1)作为引导新手运动的引导路径，将虚拟夹具评价指标作为新手操作的一个约束。虚拟夹具的生成是由教练员操作的机器人末端位置χh1(t)和管道半径RVF确定的，教练员手的运动路径就是虚拟夹具管道的形状，新手操作的机器人末端位置χh2(t)在虚拟夹具管道内运动。在教练员训练新手操作的过程中，将会有一个阻尼系数为KVF的力加在新手上，防止新手越过教练员加给新手的管道型虚拟夹具的边界。
判断新手操作的机器人末端是否越过教练员手运动生成的虚拟夹具的准则：
Figure BDA0002103700660000074
Figure BDA0002103700660000075
其中，
Figure BDA0002103700660000076
i＝x,y,z和
Figure BDA0002103700660000077
i＝x,y,z分别表示新手操作的机器人左右手的末端位置，
Figure BDA0002103700660000078
j＝x,y,z和
Figure BDA0002103700660000079
j＝x,y,z分别表示教练员操作的机器人左右手的末端位置，
Figure BDA00021037006600000710
和
Figure BDA00021037006600000711
分别为作用在新手操作的(左右)机械臂上的虚拟夹具管道的半径。
当新手操作的机器人末端超过虚拟夹具管道的时候，此时，加在新手上的虚拟力为FVF＝KVF(χh2-χh1)，其中，
Figure BDA00021037006600000712
KVF为对应于虚拟力的阻尼系数。
根据教练员给予的主观判断和新手受训程度，虚拟夹具管道半径RVF的大小采用下式
RVF＝R0-G0ln(1-α1-ad+ε) (7)
其中，R0为管道最小半径，G0为增益，α1-ad为新手训练的自适应训练律，ε是一个0～0.1的很小的数，目的是确保ln(·)有值。
3)设计虚拟夹具评价指标：将新手感受到的虚拟力作为虚拟夹具评价指标的表现形式，当新手运动方向偏离教练员手的时候，作用在新手上的虚拟力将变大；当新手运动方向能很好地跟随教练员手的时候，作用在新手上的虚拟力将变小。作用于新手上的虚拟力的特性值Πh2(t)，采用基于广义高斯函数表示，即
Figure BDA0002103700660000081
其中，FVF(t)表示虚拟夹具引导力，δVF和mVF用来描述特性值Πh2(t)的特征，δVF表示高斯函数隐节点的扩展常数，mVF通常取1。
因此，根据特性值Πh2(t)，得到虚拟夹具评价指标如下式，其取值范围为0～1。
αΠ(t)＝1-Πh2(t) (9)
αΠ(t)值为1表示教练员的引导力在操作训练中起绝对作用，新手的运动路径完全不能逾越教练手的运动路径范围；αΠ(t)值为0表示虚拟夹具不起任何作用，新手的运动不受教练员导引的影响。
4)建立新手训练的评价指标
α1-ad＝αΠ(t) (10)
式(10)的评价指标仅仅考虑了从端反馈给操作者力的影响，以及新手对于操作训练的影响，没有将教练员的主观操控影响考虑进去，但实际上，教练员对整个操控起支配决定作用，并具有否决权，因此，新手训练的评价指标α1-ad修改为
α1-ad＝αΔ(t)·αΠ(t) (11)
其中，0<αΔ<1表示由教练员根据实际操作任务所确定的新手操作修正参数。
5)操作训练原理
基于虚拟夹具的操作训练原理框图如图2所示，其中，教练是指具有丰富操作经验的人员，在操作训练中，起决定控制作用，教练员的输出为控制力为
Figure BDA0002103700660000091
和
Figure BDA0002103700660000092
速度为
Figure BDA0002103700660000093
和
Figure BDA0002103700660000094
新手指缺少操作经验的人员，需要在引导下进行操作，新手的输出为控制力为
Figure BDA0002103700660000095
和
Figure BDA0002103700660000096
速度为
Figure BDA0002103700660000097
和
Figure BDA0002103700660000098
从端期望的跟随速度分别为
Figure BDA0002103700660000099
和
Figure BDA00021037006600000910
本发明采用在线同步训练模式，在新手接受教练员训练过程中，基于虚拟夹具的虚拟力，以力觉的方式，实现教练员对新手的导引操作控制。新手感受到的引导力大小与教练示教操作的偏离程度正相关，引导力方向与偏离方向负相关，教练员对新手的操作训练引导力将随着新手的训练程度发生相应的变化。
在操作训练中，根据式(11)建立的新手训练的评价指标α1-ad，通过特性值和αΔ的乘积后得到的评价指标实现教练员对新手的操作训练，当α1-ad较小时，教练员对新手的控制较强，新手感受到的虚拟力较大；随着训练的进行，新手熟练度增加，α1-ad也开始增大，教练员对新手的控制减弱，新手能够较好地跟随教练员手的运动，感受到的虚拟力也变小。通过评价指标α1-ad，实现教练员对新手的导引，利用虚拟夹具生成虚拟力，施加在新手上，达到训练新手的目的。
综合以上步骤，本发明采用虚拟夹具评价指标，通过设置虚拟管道，利用虚拟力导引新手的运动，实现操作训练的目的。

Claims (1)

1.一种基于虚拟夹具的双人遥操作训练方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：建立模型
在操作主端，包括教练员和新手，所述的教练员是指具有丰富操作经验的人员，在操作训练中，起决定控制作用，所述的新手指缺少操作经验的人员，需要在引导下进行操作；在操作从端，包括一个双臂机器人，教练员和新手分别通过手控器控制双臂机器人；在操作训练任务过程中，建立教练员与新手的双人动力学模型：
Figure FDA0003557796650000011
其中，
Figure FDA0003557796650000012
和
Figure FDA0003557796650000013
分别表示教练员和新手对左右手控器的作用力；
Figure FDA0003557796650000014
和
Figure FDA0003557796650000015
分别表示教练员和新手的控制力；
Figure FDA0003557796650000016
和
Figure FDA0003557796650000017
分别表示教练员和新手左右手驱动力的质量模型阻抗，s为拉普拉斯算子；
Figure FDA0003557796650000018
和
Figure FDA0003557796650000019
分别表示教练员和新手的速度变量；
Figure FDA00035577966500000110
和
Figure FDA00035577966500000111
分别表示从端双臂的控制力；
Figure FDA00035577966500000112
和
Figure FDA00035577966500000113
分别表示从端环境对从端操作双臂的实际作用力；
Figure FDA00035577966500000114
和
Figure FDA00035577966500000115
分别表示从端左右两个机械臂驱动力的质量模型阻抗；
Figure FDA00035577966500000116
和
Figure FDA00035577966500000117
分别表示从端操作臂的速度；
在训练新手的过程中，教练员起导引作用，接受来自从端的环境力，即将从端环境力反馈给教练员：
Fh1＝Fe (2)
其中，
Figure FDA00035577966500000118
表示教练员左手和右手的操作力，
Figure FDA00035577966500000119
表示作用于从端双臂上的从端环境力；
新手根据教练员手的运动，在虚拟夹具的导引下，作用在新手上的虚拟力为：
Fh2＝FVF (3)
其中，
Figure FDA0003557796650000021
表示新手左手和右手的操作力，
Figure FDA0003557796650000022
表示作用于新手上的虚拟夹具引导力，采用导引型虚拟夹具；
因此，建立基于虚拟夹具的教练员对新手的位置模型：
χsd(t)＝αadχh1(t)+α1-adχh2(t) (4)
其中，
Figure FDA0003557796650000023
表示双臂机器人的从端期望位置，
Figure FDA0003557796650000024
和
Figure FDA0003557796650000025
分别表示教练员和新手操作的机器人末端位置，αad表示对应于教练员的评价指标，α1-ad＝1-αad表示新手训练的评价指标；
步骤2：设计自适应导引型虚拟夹具
采用导引型管道虚拟夹具作为引导新手运动的引导路径，将虚拟夹具评价指标作为新手操作的一个约束；虚拟夹具的生成是由教练员操作的机器人末端位置χh1(t)和管道半径RVF确定的，教练员手的运动路径就是虚拟夹具管道的形状，新手操作的机器人末端位置χh2(t)在虚拟夹具管道内运动，在教练员训练新手操作的过程中，将会有一个阻尼系数为KVF的力加在新手上，防止新手越过教练员加给新手的管道型虚拟夹具的边界；
判断新手操作的机器人末端是否越过教练员手运动生成的虚拟夹具的准则是
Figure FDA0003557796650000026
Figure FDA0003557796650000027
其中，
Figure FDA0003557796650000028
和
Figure FDA0003557796650000029
分别表示新手操作的机器人左右手的末端位置，
Figure FDA00035577966500000210
和
Figure FDA00035577966500000211
分别表示教练员操作的机器人左右手的末端位置，
Figure FDA00035577966500000212
和
Figure FDA00035577966500000213
分别为作用在新手操作的左右机械臂上的虚拟夹具管道的半径；
当新手操作的机器人末端超过虚拟夹具管道的时候，此时，加在新手上的虚拟力为FVF＝KVF(χh2-χh1)，其中，
Figure FDA00035577966500000214
KVF为对应于虚拟力的阻尼系数；
根据教练员给予的主观判断和新手受训程度，虚拟夹具管道半径RVF的大小采用下式
RVF＝R0-G0 ln(1-α1-ad+ε) (7)
其中，R0为管道最小半径，G0为增益，ε是一个0～0.1的很小的数，目的是确保ln(·)有值；
步骤3：设计虚拟夹具评价指标
将新手感受到的虚拟力作为虚拟夹具评价指标的表现形式，当新手运动方向偏离教练员手的时候，作用在新手上的虚拟力将变大；当新手运动方向能很好地跟随教练员手的时候，作用在新手上的虚拟力将变小；作用于新手上的虚拟力的特性值Πh2(t)，采用基于广义高斯函数表示，即
Figure FDA0003557796650000031
其中，FVF(t)表示t时刻的FVF，δVF和mVF用来描述特性值Πh2(t)的特征，δVF表示高斯函数隐节点的扩展常数，mVF取1；
因此，根据特性值Πh2(t)，得到虚拟夹具评价指标如下式，其取值范围为0～1；
αΠ(t)＝1-Πh2(t) (9)
αΠ(t)值为1表示教练员的引导力在操作训练中起绝对作用，新手的运动路径完全不能逾越教练手的运动路径范围；αΠ(t)值为0表示虚拟夹具不起任何作用，新手的运动不受教练员导引的影响；
步骤4：建立新手训练的评价指标
α1-ad＝αΠ(t) (10)
上式的评价指标仅仅考虑了从端反馈给操作者力的影响，以及新手对于操作训练的影响，没有将教练员的主观操控影响考虑进去，但实际上，教练员对整个操控起支配决定作用，并具有否决权，因此，新手训练的评价指标α1-ad修改为
α1-ad＝αΔ(t)·αΠ(t) (11)
其中，0＜αΔ＜1表示由教练员根据实际操作任务所确定的新手操作修正参数；
步骤5：操作训练
在操作训练中，根据式(11)建立的新手训练的评价指标α1-ad，通过特性值和αΔ的乘积后得到的评价指标实现教练员对新手的操作训练，当α1-ad较小时，教练员对新手的控制较强，新手感受到的虚拟力较大；随着训练的进行，新手熟练度增加，α1-ad也开始增大，教练员对新手的控制减弱，新手能够较好地跟随教练员手的运动，感受到的虚拟力也变小；通过评价指标α1-ad，实现教练员对新手的导引，利用虚拟夹具生成虚拟力，施加在新手上，达到训练新手的目的。
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