本发明涉及一种机械臂遥操作运动映射方法，属于机器人的人机交互技术领域。
背景技术：
到2022年左右，我国空间站将建设完成。空间站的建设和维护过程中需要大量的空间装配、设备维护以及燃料补给等任务，这些任务如果完全依靠宇航员来完成，既繁杂又危险，且效率低下。目前，在国际空间站搭建和维护中，使用机械臂辅助宇航员工作发挥了重要作用。
遥操作控制是机械臂最为有效的控制方式之一。它直接将操作者引入控制闭环中，感受和理解机器人所处的环境，作出相应的期望动作。由于操作者可以处在安全的环境下控制机械臂进入危险区域工作，这种工作模式比较适合机械臂的空间作业。
遥操作运动映射方法是指通过一定的对应关系，将操作者的运动转换为其操作机器人的运动。由于操作人员使用的遥操作设备与机械臂在结构方面存在差异性，因此研究机械臂遥操作的运动映射方法对实现机械臂的直观准确操作至关重要。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决由于机械臂与人手臂工作空间不一致导致控制映射效果差的问题，提供了一种基于位置跟踪器的机械臂遥操作运动映射方法。
本发明所述基于位置跟踪器的机械臂遥操作运动映射方法，该运动映射方法的具体过程为：
步骤1、设从端机械臂虚拟末端初始位置相对机械臂坐标的变换矩阵为
步骤2、获得手臂跟踪器相对初始位置的变换矩阵
其中，
步骤3、将手背跟踪器相对初始位置的变换矩阵
本发明的优点：本发明在笛卡尔位姿映射的基础上提出，基于flockofbirds的6维运动跟踪器设备实现。首先以机械臂工作空间缩放和人臂工作空间平移来解决传统运动映射方式中工作空间和胸部坐标不一致的问题，进而提出机械臂优化运动映射的原理。在优化运动映射原理的基础上，结合实际要求给出机械臂三个运动过程中的运动映射系数。最后，给出本发明中优化运动映射的具体实现过程。本发明针对传统运动映射方法存在的问题，在笛卡尔位姿映射的基础上，牺牲一定的映射精度获得相似的手臂构型，从而实现了操作者直观准确地对机械臂的遥操作。本发明针对机械臂遥操作控制问题，使用flockofbirds运动跟踪器控制机器人手臂，其优点是重量轻、使用方便、舒适度高，有利于操作者长时间的操作。
附图说明
图1是手臂运动映射方法示意图；
图2是手臂运动映射方法的工作空间分析图；
图3是满足初始位置关系的手臂姿态图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述基于位置跟踪器的机械臂遥操作运动映射方法，该运动映射方法的具体过程为：
步骤1、设从端机械臂虚拟末端初始位置相对机械臂坐标的变换矩阵为
步骤2、获得手臂跟踪器相对初始位置的变换矩阵
其中，
步骤3、将手背跟踪器相对初始位置的变换矩阵
本实施方式中，如图3所示，{w}为世界坐标，{sb}为六维跟踪器的基坐标，{h0}为人体的基坐标，{s0}为胸部跟踪器的安装位置和坐标系，{sra7}为右臂跟踪器的安装位置和坐标系，{hra7}为右臂末端坐标系。使机械臂末端和手臂末端处于一定的位置关系，满足要求的初始位置关系。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，机械臂遥操作运动映射方法对机械臂工作空间缩放和人臂工作空间平移的方法为：
设a点为手臂末端、b点为机械臂末端、s点为机械臂的虚拟末端，初始臂型两映射点a和s的水平和垂直距离分别为l和h，s为机械臂腕部到机械臂虚拟末端的距离；
将操作者手臂相对初始位姿的变化量映射到虚拟末端s；
利用机械臂腕部到机械臂虚拟末端的距离s获得机械臂运动后的末端点位姿；
根据机械臂的逆运动学获得机械臂关节的角度，实现对机械臂的控制。
本实施方式中，机械臂运动映射的原理为：
如图1所示，该坐标系为胸部坐标系，图中a点为手臂末端，b点为机械臂末端，本发明所述的基于位置跟踪器的机械臂遥操作运动映射方法中为了调整机械臂工作空间的大小引入了机械臂的虚拟末端点即图中点s。粗虚线和粗实线分别为手臂和机械臂的初始构型，细实线是手臂的工作空间，细虚线是手臂平移后的工作空间，阴影部分为右侧机械臂工作空间的水平截面。初始臂型两映射点a和s的水平和垂直距离为l和h，s为机械臂腕部到机械臂虚拟末端的距离。
通过将操作者手臂相对初始位姿的变化量映射到虚拟末端点s，进而利用机械臂腕部到机械臂虚拟末端的距离s获得机械臂运动后的末端点位姿，最后通过逆运动学算出机械臂关节的角度，实现对机械臂的控制。该过程相当于将人手臂的运动空间向下向右平移了l和h，形成图1虚线的工作空间。遥操作运动映射方法以此原理对机械臂工作空间缩放和人臂工作空间平移来解决传统运动映射方式中工作空间和胸部坐标不一致的问题。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，l、h和s满足的关系为：
其中，l1表示机械臂的肩宽，l2表示机械臂的上臂长度，l3表示机械臂的前臂长度，l1表示操作者的肩宽，l2表示操作者的上臂长度，l3表示操作者的前臂长度，l4表示操作者腕部到手背上跟踪器的距离。
本实施方式中，l、h和s满足的关系能够保证手臂垂直向前和水平伸展时机械臂具有相同的臂型。
手臂末端和机械臂末端初始位置满足如上关系时，优化映射后的工作空间如图2所示，细实线是手臂的工作空间，细虚线是手臂平移后的工作空间，粗虚线和粗实线分别为手臂和机械臂构型，浅色阴影为机械臂的工作空间，深色阴影为缩小后的机械臂工作空间。
映射关系如下：当手臂伸直到达a点，平移映射到虚线上的b点，b点的位置映射给虚拟末端s。映射后的手臂工作空间边缘和缩小的机械臂工作空间边缘很好的吻合，b点和s点基本重合，保证了相似的手臂构型，a点和s点位移和角度的变化量一致，但是机械臂的末端d点引入一定映射误差。如手臂到达e点，平移映射到f点，f点超出了机械臂的工作空间，利用冒泡查找法找到离f点最近的机械臂工作空间边缘点g，得到该点对应的关节角度。此时机械臂构型相似，存在末端映射误差，但超出工作空间引入的误差和选用新映射点的误差相互抵消，减少了机械臂末端的映射误差。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，基于位置跟踪器的机械臂遥操作运动过程包括三种，分别为：快速移动过程、慢速移动过程和操作过程；
具体实施方式五：本实施方式对实施方式四作进一步说明，基于位置跟踪器的机械臂遥操作的三种运动过程采用不同位置的映射系数，分别为：
快速移动过程的手臂运动映射系数为：kx＝2；
慢速移动过程的手臂运动映射系数为：kx＝0.5；
操作过程的手臂运动映射系数为：kx＝1。
本实施方式中，对于快速移动过程，期望机械臂能够快速完成该过程，故该过程在本实施方法中手臂运动映射系数kx＝2；对于慢速移动过程，期望机械臂能够尽量缓慢、精确地靠近操作对象，故该过程在本实施方法中手臂运动映射系数kx＝0.5；对于操作过程，期望实现操作者直观准确地控制机械臂，故该过程中手臂运动映射系数kx＝1。