运动轨迹协同控制方法及其装置、计算机可读存储介质

摘要

本发明提供一种运动轨迹协同控制方法及其装置、计算机可读存储介质，属于基于虚拟现实的人机交互技术领域。首先按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，其中，n为大于等于2的正整数；之后，分别为每个所述分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各所述分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力；最后分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。本发明提供的控制方法可以实现协同控制目标运动轨迹，可避免协同操作者间的决策干扰，提高操作效率，并可增加协同操作者的操作沉浸感，提高远程协同技能培训的效果。

权利要求

1.一种运动轨迹协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S110、按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，其中，n为大于等于2的正整数；

S120、分别为每个所述分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各所述分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力；

S130、分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的运动轨迹协同控制方法，其特征在于，在步骤S110和步骤S120中：空间维度n为2，所述协同操作者包括专家和学员，所述目标运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间满足下述关系式：其中,r(t)为所述目标运动轨迹，t为时间，x(t)受所述专家控制的沿X方向的分目标运动轨迹，y(t)为受所述学员控制的沿Y方向的分目标运动轨迹。

3.根据权利要求2所述的运动轨迹协同控制方法，其特征在于，还包括：S140、确定所述实际协同运动轨迹与所述目标运动轨迹之间的偏差的步骤，具体采用如下计算公式：所述实际协同运动轨迹包括X方向实际运动轨迹和Y方向实际运动轨迹；

其中,e为所述实际协同运动轨迹与所述目标运动轨迹之间的偏差；

eA为所述X方向实际运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间的偏差；

xd(t)为所述X方向实际运动轨迹；

eB为所述Y方向实际运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间的偏差；

yd(t)为所述Y方向实际运动轨迹。

4.根据权利要求3所述的运动轨迹协同控制方法，其特征在于，在步骤S120中，所述专家为虚拟专家,受所述虚拟专家控制的沿X方向的所述分目标运动轨迹受到的所述操控力采用下述公式计算：Fx＝kpxedx+kixevx

其中，FX为沿X方向的所述分目标运动轨迹受到的所述操控力；

edx为所述虚拟专家和所述学员在沿X方向上的位置偏差；

evx为所述虚拟专家和所述学员在沿X方向上的速度偏差；

kpx为所述位置偏差的操控力反馈系数；

kix为所述速度偏差的操控力反馈系数。

5.一种运动轨迹协同控制装置，其特征在于，包括：分解模块，用于按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，其中，n为大于等于2的正整数；

指定模块，用于分别为每个所述分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各所述分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力；

生成模块，用于分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。

6.根据权利要求5所述的运动轨迹协同控制装置，其特征在于，空间维度n为2，所述协同操作者包括专家和学员，所述目标运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间满足下述关系式：其中，r(t)为所述目标对象的所述目标运动轨迹，t为时间，x(t)为受所述专家控制的沿X方向的分目标运动轨迹，y(t)为受所述学员控制的沿Y方向的分目标运动轨迹。

7.根据权利要求6所述的运动轨迹协同控制装置，其特征在于，还包括偏差计算模块，用于计算所述实际协同运动轨迹与所述目标运动轨迹之间的偏差，所述偏差计算模块，具体采用如下计算公式：所述实际协同运动轨迹包括X方向实际运动轨迹和Y方向实际运动轨迹；

其中,e为所述实际协同运动轨迹与所述目标运动轨迹之间的偏差；

eA为所述X方向实际运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间的偏差；

xd(t)为所述X方向实际运动轨迹；

eB为所述Y方向实际运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间的偏差；

yd(t)为所述Y方向实际运动轨迹。

8.根据权利要求7所述的运动轨迹协同控制装置，其特征在于，所述专家为虚拟专家,受所述虚拟专家控制的沿X方向的所述分目标运动轨迹受到的所述操控力采用下述公式计算：Fx＝kpxedx+kixevx

其中，FX为沿X方向的所述分目标运动轨迹受到的所述操控力；

edx为所述虚拟专家和所述学员在沿X方向上的位置偏差；

evx为所述虚拟专家和所述学员在沿X方向上的速度偏差；

kpx为所述位置偏差的操控力反馈系数；

kix为所述速度偏差的操控力反馈系数。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1至4中任意一项的所述运动轨迹协同控制方法。

说明书

运动轨迹协同控制方法及其装置、计算机可读存储介质

技术领域

[0001] 本发明属于基于虚拟现实的人机交互技术领域，具体涉及一种运动轨迹协同控制方法和装置，主要应用在协同培训、虚拟协同装配、协同搬运及康复等领域。

背景技术

[0002] 随着远程操作系统应用的不断拓展，多人协同远程操作成为发展趋势。协同操作是指多个人或机器人通过远程合作的方式完成操作任务，通过人-人或者人-机的协同来提高操作效率。主要应用包括：虚拟协同装配，协同搬运，协同培训及康复等等。

[0003] 对于协同操作，关键问题之一是如何进行协同角色分配。由于协同双方可以同时控制操作对象，因此需要设计一种合适的协同方式，能完成高效的任务决策以及任务执行。例如远程两人协同搬运的任务，协同双方同时对箱子施加力，相互合作将桌子搬运到目标位置，这是典型的协同操作的研究任务，在这过程中，协同双方的操作内容是相同的，对桌子施加抵消重力以及往前运动两个方向的力，双方都具有决策的权利，决定桌子离地的高度以及前进的方向和速度，因此他们需要根据任务要求，通过语音、手势或触觉等反馈方式进行协商来进行权限分配。

[0004] 触觉反馈是指通过触觉输出设备对操作者提供力，振动或运动等方式的触觉刺激。触觉反馈能将远程场景中的触觉交互信息反馈给本地操作者，因此能增强操作者的操作沉浸感，同时，由于触觉感知通道与人的运动系统紧密关联，触觉反馈能将运动信息更自然且直观的传递给操作者，对操作技能的影响比其他感知通道更明显，因此它可以为远程操作提供操作辅助信息或操作导引，从而提高远程操作的效率。

发明内容

[0005] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种运动轨迹协同控制方法及其控制装置、计算机可读存储介质。

[0006] 本发明的第一个方面提供一种运动轨迹协同控制方法，包括以下步骤：

[0007] S110、按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，其中，n为大于等于2的正整数；

[0008] S120、分别为每个所述分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各所述分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力；

[0009] S130、分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。

[0010] 可选地，在步骤S110和步骤S120中：

[0011] 空间维度n为2，所述协同操作者包括专家和学员，所述目标运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间满足下述关系式：

[0012]

[0013] 其中，r(t)为所述目标运动轨迹，t为时间，x(t)受所述专家控制的沿X方向的分目标运动轨迹，y(t)为受所述学员控制的沿Y方向的分目标运动轨迹。

[0014] 可选地，还包括：

[0015] S140、确定所述实际协同运动轨迹与所述目标运动轨迹之间的偏差的步骤，具体采用如下计算公式：

[0016]

[0017] 所述实际协同运动轨迹包括X方向实际运动轨迹和Y方向实际运动轨迹；

[0018] 其中,e为所述实际协同运动轨迹与所述目标运动轨迹之间的偏差；

[0019] eA为所述X方向实际运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间的偏差；

[0020] xd(t)为所述X方向实际运动轨迹；

[0021] eB为所述Y方向实际运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间的偏差；

[0022] yd(t)为所述Y方向实际运动轨迹。

[0023] 可选地，在步骤S120中，所述专家为虚拟专家,受所述虚拟专家控制的沿X方向的所述分目标运动轨迹受到的所述操控力采用下述公式计算：

[0024] Fx＝kpxedx+kixevx

[0025] 其中，FX为沿X方向的所述分目标运动轨迹受到的所述操控力；

[0026] edx为所述虚拟专家和所述学员在沿X方向上的位置偏差；

[0027] evx为所述虚拟专家和所述学员在沿X方向上的速度偏差；

[0028] kpx为所述位置偏差的操控力反馈系数；

[0029] kix为所述速度偏差的操控力反馈系数。

[0030] 本发明的第二个方面提供一种运动轨迹协同控制装置，包括：

[0031] 分解模块，用于按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，其中，n为大于等于2的正整数；

[0032] 指定模块，用于分别为每个所述分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各所述分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力；

[0033] 生成模块，用于分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。

[0034] 可选地，空间维度n为2，所述协同操作者包括专家和学员，所述目标运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间满足下述关系式：

[0035]

[0036] 其中，r(t)为所述目标对象的所述目标运动轨迹，t为时间，x(t)为受所述专家控制的沿X方向的分目标运动轨迹，y(t)为受所述学员控制的沿Y方向的分目标运动轨迹。

[0037] 可选地，还包括偏差计算模块，用于计算所述实际协同运动轨迹与所述目标运动轨迹之间的偏差，所述偏差计算模块，具体采用如下计算公式：

[0038]

[0039] 所述实际协同运动轨迹包括X方向实际运动轨迹和Y方向实际运动轨迹；

[0040] 其中,e为所述实际协同运动轨迹与所述目标运动轨迹之间的偏差；

[0041] eA为所述X方向实际运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间的偏差；

[0042] xd(t)为所述X方向实际运动轨迹；

[0043] eB为所述Y方向实际运动轨迹与所述分目标运动轨迹之间的偏差；

[0044] yd(t)为所述Y方向实际运动轨迹。

[0045] 可选地，所述专家为虚拟专家,受所述虚拟专家控制的沿X方向的所述分目标运动轨迹受到的所述操控力采用下述公式计算：

[0046] Fx＝kpxedx+kixevx

[0047] 其中，FX为沿X方向的所述分目标运动轨迹受到的所述操控力；

[0048] edx为所述虚拟专家和所述学员在沿X方向上的位置偏差；

[0049] evx为所述虚拟专家和所述学员在沿X方向上的速度偏差；

[0050] kpx为所述位置偏差的操控力反馈系数；

[0051] kix为所述速度偏差的操控力反馈系数。

[0052] 本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现如前文记载的运动轨迹协同控制方法。

[0053] 本发明提供一种运动轨迹协同控制方法及其控制装置、计算机可读存储介质，首先按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，其中，n为大于等于2的正整数；之后，分别为每个所述分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各所述分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力；最后分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。本发明提供的控制方法可以实现协同控制目标运动轨迹，可避免协同操作者间的决策干扰，提高操作效率，并可增加协同操作者的操作沉浸感，提高远程协同技能培训的效果。

附图说明

[0054] 图1为本发明第一实施例的运动轨迹协同控制方法的流程图；

[0055] 图2为本发明第二实施例的运动轨迹协同控制方法的分解示意图；

[0056] 图3为本发明第三实施例的远程协同技能培训的训练场景及任务示意图；

[0057] 图4为本发明第四实施例的运动轨迹协同控制装置的结构示意图。

具体实施方式

[0058] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0059] 如图1所示，本发明提供一种运动轨迹协同控制方法S100，包括以下步骤：

[0060] 步骤S110、按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，其中，n为大于等于2的正整数。

[0061] 步骤S120、分别为每个分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力。

[0062] 步骤S130、分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。

[0063] 本实施例提供的运动轨迹协同控制方法S100，首先按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，之后分别为每个分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力，最后分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。在协同控制任务中，由于需要运动控制配合，因此需要协同操作者能准确感受到对方的运动，触觉反馈能为协同双方提供直观的运动反馈。本实施例的控制方法S100，将轨迹控制分解为解耦的多维度分运动，协同双方分别控制不同维度的运动，完成控制任务，由于各自运动解耦，各司其职，可以实现协同操作者协同控制目标运动轨迹，可避免协同操作者间的决策干扰，减小控制难度，提高操作效率，并可增加协同操作者的操作沉浸感，提高协同操作者的操作兴趣，提高远程协同技能培训的效果。

[0064] 具体地，在步骤S110和步骤S120中，空间维度n可取值为2，此时目标运动轨迹为平面轨迹，该平面轨迹可以分解为沿X方向和Y方向的两个分目标运动轨迹，协同操作者可为专家和学员，目标运动轨迹与分目标运动轨迹之间满足下述关系式：

[0065]

[0066] 其中,在上述关系式(1)，r(t)为目标运动轨迹，t为时间，x(t)为沿X方向的分目标运动轨迹，并指定专家为x(t)的唯一协同操作者，提供操控力进行控制；y(t)为沿Y方向的分目标运动轨迹，并指定学员为y(t)的唯一协同操作者，提供操控力进行控制。此外，专家在Y方向上受到学员的导引力，学员在X方向上受到专家的导引力。

[0067] 如图2所示，协同操作者A代表专家，协同操作者B代表学员，具体地，协同操作者A控制x方向的分目标运动轨迹x(t)，同时y方向受到协同操作者B的运动导引FBg-y，协同操作者B控制y方向的分目标运动轨迹y(t)，同时x方向受到协同操作者A的运动导引FAg-x，运动导引力用公式表示为：

[0068]

[0069] 如图1所示，本实施例提供的运动轨迹协同控制方法S100，还包括：

[0070] 步骤S140、确定实际协同运动轨迹与目标运动轨迹之间的偏差的步骤。实际协同运动轨迹包括X方向实际运动轨迹和Y方向实际运动轨迹，具体采用如下计算公式：

[0071]

[0072] 在上述公式(3)中,e为实际协同运动轨迹与目标运动轨迹之间的偏差；

[0073] eA为X方向实际运动轨迹与分目标运动轨迹之间的偏差；

[0074] xd(t)为X方向实际运动轨迹；

[0075] eB为Y方向实际运动轨迹与分目标运动轨迹之间的偏差；

[0076] yd(t)为Y方向实际运动轨迹。

[0077] 在实际应用中，根据运动轨迹协同控制任务对偏差要求的不同，将运动轨迹协同控制任务分为近似轨迹控制和精确轨迹控制两类。其中，近似轨迹控制任务要求偏差e小于一定阈值，对轨迹控制精度要求不高，比如管道穿越任务；而精细轨迹控制任务要求偏差e尽量接近零，这类任务对协同操作者的控制精度要求高。

[0078] 具体地，在步骤S120中，专家可为虚拟专家,受虚拟专家控制的沿X方向的分目标运动轨迹受到的操控力采用下述公式计算：

[0079] Fx＝kpxedx+kixevx  (4)

[0080] 在上述公式(4)中，FX为沿X方向的分目标运动轨迹受到的操控力；

[0081] edx为虚拟专家和学员在沿X方向上的位置偏差；

[0082] evx为虚拟专家和学员在沿X方向上的速度偏差；

[0083] kpx为位置偏差的操控力反馈系数；

[0084] kix为速度偏差的操控力反馈系数。

[0085] 本实施例提供的运动协同控制方法S100可以应用在远程协同技能培训领域，以下进行举例说明。在如图3所示的远程协同技能培训的训练场景及任务示意图中，白色曲线代表目标运动轨迹，该目标运动轨迹为一个沿XY平面上的固定轨迹运动，并由三段直线，一个半圆以及两个正弦曲线构成。十字光标代表触觉反馈设备的交互点，圆点代表跟踪目标点，专家和学员通过协同操作交互点跟踪训练场景中的移动目标，灰色曲线表示最终的实际协同运动轨迹。在实际操作中，将触觉反馈设备X方向和Y方向上的转动分别映射成虚拟场景中交互点在X方向和Y方向的移动，X方向的映射比例为10，即设备X方向的转动角度除以10等于虚拟场景中交互点沿X方向的运动位移，Y方向的映射比例为8，即设备Y方向的转动角度除以8等于虚拟场景中交互点沿Y方向的运动位移。

[0086] 具体地，交互点的X方向运动由计算机模拟的虚拟专家控制，Y方向由学员控制。虚拟专家通过操控力来约束交互点X方向的运动，学员一边通过操控力控制好交互点Y方向的运动，让其尽量跟随目标点，同时还要保证X方向的操控力尽可能小，来完成训练任务。首先控制交互点移动到初始位置区域(即图3中原点)，之后，圆点代表的目标点开始沿着图中白色轨迹顺时针方向运动，其沿着X方向的运动速度为0.04m/s，虚拟专家和学员需要尽可能准确的跟随该目标点，进行轨迹跟踪，直到圆点再次回到初始位置。同时，系统会实时记录交互点与目标点之间的位置误差，交互点实际走过的轨迹会用灰色曲线显示在场景中。

[0087] 需要说明的是，虚拟专家操控力的计算方法如公式(4)所示，公式(4)中的edx和evx的计算方法参考公式(3)，公式(3)中期望的运动轨迹为虚拟专家的位置，kpx的取值为160mN/mm，kix的取值为0.001s-1，操控力的方向沿X方向从交互点指向目标点。

[0088] 为了验证本实施例的控制方法S100的效果，针对图3所示的训练任务，采用三种培训方式进行对比，分别是：单纯视觉反馈培训模式、运动分解协同培训模式以及虚拟夹具触觉导引培训模式。其中，在单纯视觉反馈培训模式中，整个实验过程都只有视觉反馈，协同操作者根据视觉反馈来调整交互点位置，使之尽可能准确的跟随目标点；运动分解协同培训模式采用的是本实施例的运动轨迹协同控制方法S100；在虚拟夹具触觉导引培训模式中，交互点的X和Y方向上的运动都受到虚拟专家的操控力约束。需要说明的是，虚拟夹具触觉导引培训模式中的操控力计算方法与运动分解协同培训中虚拟专家操控力的计算方法相同，即交互点的X方向和Y方向上的操控力均采用公式(4)进行计算，操控力的方向分别沿X方向和沿Y方向从交互点指向目标点。

[0089] 结果表明，运动分解协同训练方式，能促进学员对轨迹跟踪技能的训练，学员通过这种训练方式，其在短期内的训练效果，比通过单纯视觉反馈训练方式以及通过虚拟夹具的触觉导引训练方式进行训练的效果更好。

[0090] 如图4所示，本实施例的第二方面提供一种动轨迹协同控制装置100，该装置可以适用于上文记载的运动轨迹协同控制方法S100，该运动轨迹协同控制装置100包括分解模块110、指定模块120和轨迹生成模块130。其中分解模块110，用于按空间维度n将目标对象的目标运动轨迹分解为各维度上的分运动，以得到n个分目标运动轨迹，其中，n为大于等于2的正整数；指定模块120，用于分别为每个分目标运动轨迹指定唯一协同操作者，其中，各分目标运动轨迹均受到其所指定的协同操作者的操控力以及其余各协同操作者的导引力；
生成模块130，用于分别根据各分目标运动轨迹上所对应的操控力和导引力，生成实际协同运动轨迹。本实施例的第二方面提供的控制装置100可以实现协同控制目标运动轨迹，可避免协同操作者间的决策干扰，提高操作效率，并可增加协同操作者的操作沉浸感，提高远程协同技能培训的效果。

[0091] 具体地，空间维度n可取值为2，协同操作者可指定为专家和学员，目标运动轨迹与分目标运动轨迹之间满足关系式(1)。

[0092] 如图4所示，本实施例的运动轨迹协同控制装置100还包括偏差计算模块140，用于计算实际协同运动轨迹与目标运动轨迹之间的偏差，偏差计算模块，具体采用公式(3)进行计算。

[0093] 具体地，在指定模块120中可指定专家为虚拟专家,受虚拟专家控制的沿X方向的分目标运动轨迹受到的操控力采用公式(4)进行计算。

[0094] 本实施例的第三方面提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现上文记载的运动轨迹协同控制方法S100。

[0095] 通过运行本实施例提供的存储介质中存储的计算机程序进行运动轨迹协同控制，可以实现协同控制目标运动轨迹，可避免协同操作者间的决策干扰，提高操作效率，并可增加协同操作者的操作沉浸感，提高远程协同技能培训的效果。

[0096] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。