一种数据手套与灵巧手位姿映射方法及系统与流程

本发明属于人机交互与机器人控制，尤其涉及一种数据手套与灵巧手位姿映射方法及系统。

背景技术：

1、数据手套是一种能够实时采集人手各关节弯曲角度的人机交互设备，广泛应用于遥操作机器人、虚拟现实、康复训练和假肢控制等领域。灵巧手作为数据手套的控制对象，需要将人手各关节的弯曲角度信号转换为灵巧手各关节的角度指令。

2、现有数据手套与灵巧手位姿映射方法主要存在以下技术缺陷：

3、第一，基于角度幅值的直接映射丢失了运动模式信息。现有方法将各关节的弯曲角度幅值通过线性变换或非线性映射直接转换为灵巧手对应关节的角度指令，仅利用了角度幅值这一单一维度的信息。人手在运动过程中，各关节的启动顺序、运动节拍等动态模式信息被完全忽略，导致灵巧手的动作缺乏自然性。

4、第二，各手指独立映射，未考虑手部运动协调性。现有方法将五根手指视为相互独立的控制单元，各手指分别映射至灵巧手的对应手指。当手部处于协同抓取模式时，各手指的运动相互关联；当手部处于精细操作模式时，各手指的运动相互独立。现有方法无法自动识别手部当前的运动协调状态，采用固定的映射策略，导致在协同抓取模式下各手指映射后的动作缺乏协调性。

5、第三，映射参数依赖人工标定。现有方法需要针对每个操作者进行标定，通过采集特定姿势下的传感器读数与关节角度对应关系来确定映射参数，标定过程繁琐且个体适应性差。

6、因此，需要一种能够利用人手运动启动顺序和节拍间隔信息、自动识别手部运动协调状态并自适应选择映射策略的方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种数据手套与灵巧手位姿映射方法及系统，用于解决上述至少一个技术问题。

2、第一方面，本发明提供一种数据手套与灵巧手位姿映射方法，包括：

3、获取数据手套各传感器通道的弯曲角度信号；

4、检测各通道弯曲角度信号中角度值首次超过预设启动阈值的时刻，作为各通道对应的启动时刻，检测同一通道弯曲角度信号中连续两个相邻的局部极值点之间的时间间隔，作为各通道对应的运动节拍间隔；

5、以同一手指对应的全部启动时刻为处理对象，将所述全部启动时刻按时间先后顺序排列，得到所述同一手指对应的启动顺序序列，以所述同一手指对应的全部运动节拍间隔为处理对象，将所述全部运动节拍间隔按对应的关节顺序排列，得到所述同一手指对应的节拍间隔序列；

6、将所述启动顺序序列中的各元素与所述节拍间隔序列中对应位置的元素组合为二元组，将全部二元组按顺序排列，得到所述同一手指对应的运动模式编码序列；

7、以全部手指的运动模式编码序列为处理对象，计算任意两个手指的运动模式编码序列之间的编辑距离，得到手指间编辑距离矩阵；

8、提取所述编辑距离矩阵的主成分，以所述主成分的方差贡献率作为手部运动模式离散度，并判断所述手部运动模式离散度是否小于预设离散度阈值；

9、当所述手部运动模式离散度小于预设离散度阈值时，则以各手指的运动模式编码序列为输入，以预设的灵巧手动作模式库为匹配目标，将各手指的运动模式编码序列分别与所述动作模式库中的各动作模式编码模板进行匹配，选取匹配度最高的动作模式编码模板对应的关节角度轨迹作为灵巧手的控制指令，输出至灵巧手各关节控制器执行。

10、第二方面，本发明提供一种数据手套与灵巧手位姿映射系统，包括：

11、获取模块，配置为获取数据手套各传感器通道的弯曲角度信号；

12、检测模块，配置为检测各通道弯曲角度信号中角度值首次超过预设启动阈值的时刻，作为各通道对应的启动时刻，检测同一通道弯曲角度信号中连续两个相邻的局部极值点之间的时间间隔，作为各通道对应的运动节拍间隔；

13、处理模块，配置为以同一手指对应的全部启动时刻为处理对象，将所述全部启动时刻按时间先后顺序排列，得到所述同一手指对应的启动顺序序列，以所述同一手指对应的全部运动节拍间隔为处理对象，将所述全部运动节拍间隔按对应的关节顺序排列，得到所述同一手指对应的节拍间隔序列；

14、排序模块，配置为将所述启动顺序序列中的各元素与所述节拍间隔序列中对应位置的元素组合为二元组，将全部二元组按顺序排列，得到所述同一手指对应的运动模式编码序列；

15、计算模块，配置为以全部手指的运动模式编码序列为处理对象，计算任意两个手指的运动模式编码序列之间的编辑距离，得到手指间编辑距离矩阵；

16、判断模块，配置为提取所述编辑距离矩阵的主成分，以所述主成分的方差贡献率作为手部运动模式离散度，并判断所述手部运动模式离散度是否小于预设离散度阈值；

17、输出模块，配置为当所述手部运动模式离散度小于预设离散度阈值时，则以各手指的运动模式编码序列为输入，以预设的灵巧手动作模式库为匹配目标，将各手指的运动模式编码序列分别与所述动作模式库中的各动作模式编码模板进行匹配，选取匹配度最高的动作模式编码模板对应的关节角度轨迹作为灵巧手的控制指令，输出至灵巧手各关节控制器执行。

18、第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的数据手套与灵巧手位姿映射方法的步骤。

19、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例的数据手套与灵巧手位姿映射方法的步骤。

20、本技术的数据手套与灵巧手位姿映射方法及系统，具有以下有益效果：

21、不采用弯曲角度幅值作为映射依据，而是提取各关节的启动时刻和运动节拍间隔，以启动顺序和节拍间隔的组合编码描述手指的运动模式。启动顺序反映了各关节启动的先后关系，是运动控制的时序拓扑特征；节拍间隔反映了各关节运动的节奏，是运动控制的速率分布特征。两者的组合完整描述了手指在启动阶段的控制策略。

22、计算各手指运动模式编码序列之间的编辑距离矩阵，通过主成分分析提取编辑距离矩阵的第一主成分方差贡献率作为手部运动模式离散度。当离散度低时，各手指的运动模式编码序列趋于一致，手部处于协同运动状态；当离散度高时，各手指的运动模式编码序列存在显著差异，手部处于独立运动状态，该判定过程不依赖任何预先设定的手势模板。

23、当手部处于协同运动状态时，本发明以当前手部运动模式编码序列与预设动作模式库中的模板进行匹配，将匹配成功的模板对应的预定义关节角度轨迹作为灵巧手的控制指令，该映射方式将数据手套的信号转换为灵巧手的整体动作模式，而非各关节的独立角度值，使灵巧手的动作更加自然协调。

24、当手部处于独立运动状态时，各手指的弯曲角度信号分别映射至灵巧手对应手指的各关节角度指令，实现精细的手指独立控制，协同映射和独立映射两种策略根据手部运动模式离散度自动切换，实现了映射策略的自适应选择。