基于电磁理论的力反馈人机交互系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人人机交互领域，特别涉及一种基于LeapMotion体感控制器与 电磁感应技术的人机交互系统及方法。
【背景技术】
[0002] -个成熟的人机交互系统应该有两个方面的要求：（1)人类能准确地操控机器；
[2] 机器能及时地把信息反馈给人类。对于鼠标、键盘等旧式交互设备已经能够很好达到 这两项要求。但对于LeapMotion的遥操作系统来说，它虽然已经能很好的实现操控机器 人的功能，但却缺少信息反馈，这导致机器人在实地处理问题时会遇到各种问题，如：机器 人在前进时遇到阻碍、或机器人在移动物体时由于物体重量太大而无法移动。单单通过 LeapMotion遥操作系统无法反馈这些信息，这会使操作准确性大幅下降，也会使人机交互 的友好性大打折扣。
【发明内容】
[0003] 为了改善LeapMotion的交互体验，本发明提出了基于电磁理论的力反馈人机交 互系统及方法。
[0004] 基于电磁理论的力反馈人机交互系统，其特征在于包括体感控制设备、电磁铁、永 磁材料手套和计算机，永磁材料手套佩戴在操纵者手上，体感控制设备用于获取人的手部 动作信息，电磁铁和永磁材料手套用于向人手反馈信息，计算机则负责处理所述信息以达 到协调人机交互过程的功能；该系统将人的手势动作姿势作为控制信息，实现对机器人的 控制功能；将非接触力一一磁力作为反馈信息，实现机器对人的信息反馈功能。
[0005] 利用所述系统的基于电磁理论的力反馈人机交互方法：当操纵者手部运动时，所 述系统会实时分析手部的运动的轨迹，了解操纵者的意图，从而向机器人发出相应的工作 指令；而机器人在工作时，所述系统则会根据机器人的反馈信息，算出手部应受磁力结果， 根据该结果，改变改变电磁铁的电流和朝向，从而改变操纵者手部的受力。
[0006] 进一步地，操纵者移动手部，通过所述系统控制机器人向前运动，机器人在运动过 程中遇到障碍物而不能向前时，所述系统会让操纵者得手部感受到一个向后得磁力，使操 纵者得手部不能向前运动，实现信息反馈的效果。
[0007] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和技术效果：
[0008] 输入方式更灵活：传统的键鼠输入方式，操作者通过敲打键盘、鼠标进行信息输 入，显得死板。本发明利用手部的手势作为交互的输入方式，摆脱了传统方式死板、固定的 缺点，让交互方式更灵活。
[0009] 1、信息反馈更及时：传统交互方式信息的反馈主要通过显示器进行输出。操作者 在与机器交互时，若产生一个错误操作，反馈的信息需要"在显示器显示、再由操控者眼睛 观测到，通过神经传到大脑进行思考，最后由大脑控制身体停止错误操作"这样一个漫长的 神经反射过程。而本发明选择了力作为反馈信息。操作者在用手势与机器交互时，若产生 错误操作、交互的结果直接通过力反馈到手上，阻止错误操作，避免了传统方式漫长的反射 过程。
[0010] 2、信息反馈更全面：本系统利用磁力作为里反馈信息。通过使用四个位置、方向以 及电流大小可调控的电磁铁作为磁力产生的装置。由电磁感应定律和力的平行四边形合成 法则可知，只要控制好四个电磁铁的电流大小和方向，便可产生任意大小、任意方向的力。 因此可以反馈更全面的信息。
[0011] 3、交互方式更立体：本系统使用手势运动进行输入，用非接触力作为反馈信息，摆 脱了传统的平面交互方式，可以实现三维立体交互，使人机交互的方式越来越像人与人交 互，能让机器处理的能力越来越像人类靠拢。
【附图说明】
[0012] 图1为实例中系统结构图；
[0013] 图2是电磁铁的局部坐标系（左边）与世界坐标系（右边）。
[0014] 图3为把电磁铁的坐标系的原点移动到与世界坐标系的原点重合时候的示意图。
[0015] 图4为电磁铁A的局部坐标系下的位置信息示意图。
[0016] 图5为永磁铁旋转前示意图
[0017] 图6为永磁铁旋转后的示意图。
【具体实施方式】
[0018] 以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护 不限于此。
[0019] 本实例的系统由平台上的LeapMotion、4块电磁铁以及佩戴在操纵者手上的磁性 手套构成。在使用本系统时，当操纵者手部在系统范围内运动时，系统会实时分析手部的运 动的轨迹，了解操纵者的意图，从而向机器人发出相应的工作指令。而机器人在工作时，系 统则会根据机器人的反馈信息，算出手部应受磁力结果。根据该结果，改变改变电磁铁的电 流和朝向，从而改变操纵者手部的受力。例如：操纵者移动手部，通过本系统控制机器人向 前运动，机器人在运动过程中遇到障碍物而不能向前时，本系统会让操纵者得手部感受到 一个向后得磁力，使操纵者得手部不能向前运动，这样便达到了信息反馈的效果。
[0020] 通过本系统，可以让操纵者直接、无障碍的操控机器人的工作，也能使操纵者直观 的感受到机器人工作状态，了解机器人工作结果，达到人机合一的效果。
[0021] 本发明提出了一种基于电磁场理论的力反馈人机交互方式，操作者可以在操作空 间内自由运动，本系统通过传感器识别到操作者手的位置，然后通过电磁铁反馈给人手力 的感觉。系统结构图如图1。
[0022] 本实例重点说明如何通过实际磁力的大小计算出所需通入电磁铁电流的大小。计 算步骤主要为：
[0023] S1、电磁铁坐标系的变换；
[0024] S2、永磁体位置的变换；
[0025] S3、电流的计算。
[0026] 所述步骤S1包括以下步骤：
[0027]定义电磁铁的局部坐标系为XlylZl (直角坐标系），世界坐标系为xgygZg;如图2,左 边是电磁铁的局部坐标系，右边是世界坐标系。电磁铁局部坐标系xiyizj^每一条轴可以 看成是世界坐标系xgygzg中的一个向量，把电磁铁的坐标系的原点移动到与世界坐标系的 原点重合的时候，有如图3对应关系。
[0028] 假设电磁铁局部坐标系的Xi轴所对应的单位向量SAX，则有Ax= (xAx yAx zAx)T， 其中xAx、xAy、xAz表示Ax在世界坐标系x gygzg中的分量，T表示矩阵的转置。同理：y:轴所 对应的单位向量为六^有六￥=(xAy yAy zAy)T，ζ:轴所对应的单位向量SAZ，有Az= (xAz yAz zAz)T。
[0029] 因此每个向量在世界坐标系xgygzg*的表示方法为：
[0030]Ax= (xAxyAxzAx)T
[0031]Ay= (xAyyAyzAy)T (1)
[0032]Az= (xAzyAzzAz)T
[0033] 电磁铁局部坐标系中的任意点向世界坐标系xgygzg中转换的方法如下：
[0034] 假设p为电磁铁局部坐标系A下的一个点，则p在世界坐标系下的表达式为：
[0035] \1/·· V似
， y \f y .义'
[0036] 其中，（xpypzp)%p在电磁铁局部坐标系下的坐标，TA为平移向量，即世界坐标 系原点指向电磁铁局部坐标系原点的向量，（AxAyAz)为局部坐标系的基本单位向量。
[0037] 电磁铁局部坐标系中的任意向量向世界坐标系xgygz#转换方法如下：
[0038] 假设v为电磁铁局部坐标系A下的一个向量，则v在世界坐标系下的表达式为：
[0039]
[0040] 其中，xvyvz#v在电磁铁局部坐标系各轴上的分量，（AxAyAz)为局部坐标系 的基本单位向量。
[0041] 由于向量AxAyAz相互垂直，内积为0,因此可得出：
[0042]
[0043] 其中（AxAyAz)的逆矩阵等于其转置，即（AxAyAz)为正交矩阵；
[0044] 点p在电磁铁局部坐标系和世界