基于人际间触觉信息的人机交互控制方法及系统

摘要

本发明提供了一种基于人际间触觉信息的人机交互控制方法及系统，包括：步骤1：基于人际间触觉信息，对主导者运动意图与从动者应做动作之间进行建模，得到运动意图动作映射模型；步骤2：将运动意图动作映射模型应用到人机交互中，通过传感器将主导者传入的力根据模型转换成预设大小的电流数值，传递给从动者进行输出；步骤3：在人机交互中，结合运动意图动作映射模型，将人体的运动意图转换为实际动作，并通过机械外骨骼驱动实施。本发明通过针对人机交互的控制领域，通过逻辑层中的人际间触觉信息的相互作用进行建模，并在应用层中进行应用，能有效根据运动意图构建外骨骼运动，使其表达更加准确且自然。

说明书

技术领域

本发明涉及人机交互控制技术领域，具体地，涉及一种基于人际间触觉信息的人机交互控制方法及系统。

背景技术

目前老龄化形式严峻，随时随地的健康监护和自然直观的人机交互成为了迫切的需求。穿戴式健康监护系统可以在日常生活中提供随时随地的健康监护而不会干扰被监护者的正常生活。

专利文献CN101618280A(申请号：CN200910072405.5)公开了一种具有人机交互功能的仿人头像机器人装置及行为控制方法，传感器感知系统将感知到的信息输出给主控机进行处理，机器人行为控制系统中的控制系统软件根据人工情感模型得到相应电机的相关控制量，将运动控制指令通过运动控制卡输出PWM脉冲驱动相应的电机运动到指定的位置，实现机器人的人机交互功能及各种情感反应。传感器感知系统感知外界的情感信号，并识别出相应的情感信号，利用人工情感模型实现机器人的行为控制。

但是传统的人机交互通常是设定既定的线路，采用一些特定函数的方式，启动外骨骼对运动进行辅力作用。这种方式的人机交互，非但其动作表达与人想要的动作有较大误差，甚至在有时还可能对人体造成伤害。

针对此种情况，本文提出了一种基于人际间触觉信息的人机交互控制方法及系统，使得外骨骼能够实时的根据人体运动趋势，准确实时的进行移动，满足人的日常生活。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于人际间触觉信息的人机交互控制方法及系统。

根据本发明提供的基于人际间触觉信息的人机交互控制方法，包括：

步骤1：基于人际间触觉信息，对主导者运动意图与从动者应做动作之间进行建模，得到运动意图动作映射模型；

步骤2：将运动意图动作映射模型应用到人机交互中，通过传感器将主导者传入的力根据模型转换成预设大小的电流数值，传递给从动者进行输出；

步骤3：在人机交互中，结合运动意图动作映射模型，将人体的运动意图转换为实际动作，并通过机械外骨骼驱动实施。

优选的，所述运动意图动作映射模型的输入为传感器数据，输出为从动者根据主动者的意图进行的相应动作。

优选的，所述运动意图动作映射模型为：

其中，θ

优选的，将人机交互中的穿戴者视为人际间触觉信息中的领导者；

将人机交互中的机械外骨骼视为人际间触觉信息中的从动者。

优选的，所述步骤3包括：

步骤3.1：通过传感器实时获取穿戴者输出的初始驱动力；

步骤3.2：将初始驱动力导入到运动意图动作映射模型中；

步骤3.3：通过运动意图动作映射模型得到机械外骨骼的运动控制策略以及外骨骼的运动目标位置；

步骤3.4：通过电机驱动外骨骼按照运动控制策略运动到运动目标位置。

根据本发明提供的基于人际间触觉信息的人机交互控制系统，包括：

模块M1：基于人际间触觉信息，对主导者运动意图与从动者应做动作之间进行建模，得到运动意图动作映射模型；

模块M2：将运动意图动作映射模型应用到人机交互中，通过传感器将主导者传入的力根据模型转换成预设大小的电流数值，传递给从动者进行输出；

模块M3：在人机交互中，结合运动意图动作映射模型，将人体的运动意图转换为实际动作，并通过机械外骨骼驱动实施。

优选的，所述运动意图动作映射模型的输入为传感器数据，输出为从动者根据主动者的意图进行的相应动作。

优选的，所述运动意图动作映射模型为：

其中，θ

优选的，将人机交互中的穿戴者视为人际间触觉信息中的领导者；

将人机交互中的机械外骨骼视为人际间触觉信息中的从动者。

优选的，所述模块M3包括：

模块M3.1：通过传感器实时获取穿戴者输出的初始驱动力；

模块M3.2：将初始驱动力导入到运动意图动作映射模型中；

模块M3.3：通过运动意图动作映射模型得到机械外骨骼的运动控制策略以及外骨骼的运动目标位置；

模块M3.4：通过电机驱动外骨骼按照运动控制策略运动到运动目标位置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过针对人机交互的控制领域，将人际间触觉信息的相互作用进行建模，并应用到人机交互中，能有效根据运动意图构建外骨骼运动，使其表达更加准确且自然。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体的逻辑和应用层示意图；

图2为本发明整体应用流程图；

图3为本发明构建模型的过程示意图；

图4为本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

如图1和图2，本发明提供了一种基于人际间触觉信息的人机交互控制系统，其分为逻辑层和应用层。

在逻辑层中对人际间触觉信息进行深入研究，并构建出运动意图动作映射模型，具体参看图3。本发明系统地研究了人际间触觉信息如何影响和表现两个伙伴在互动任务中的肌肉互动，如图3a，设计一维空间下主从操作者之间物理相互作用的实验配置。主-从操作者之间用帘子隔开，二者通过手腕弯曲/伸展来沿着一维弧线控制光标，跟随一个共同的目标。手腕实际上是通过电脑控制弹性的弹簧通过机器人界面连接在一起。对于对应主从操作者的目标，均是一个正态分布的点云，分别显示在每个受试者的独立监视器上。如图3b和图3c，测试合作伙伴在互动过程中可能采用的不同策略的计算框架。在这种方法中，只有目标或用于跟踪目标的信息被更改。目标被一个测试的人跟踪，将其视为主动者，它通过手腕的运动产生一个运动指令。同时通过进行平行模拟实验对两个人进行测试，让他们受到弹簧的力。在跟随-领导模式中，主动者的同伴从动者通过弹簧的带来的触觉进行推断，并通过自己的视觉对目标进行整合，通过上述，建立出以下数据模型：

(1)在离散时间{i dt，i＝1,2,...}中建立模型模拟弹性带耦合的搭档如何规划其运动以跟踪一维中随机运动的目标。每次指标i必须估计位置为t

其中，

(2)手腕的控制，在状态

θ

u

其中，u

单独试验，在受试者之间没有连接时，F

x

等于式2和式1的差。

(3)互动策略

仅使用视觉反馈描述一个目标跟踪目标t

z

其中，zi被具有方差的高斯视觉感官噪声v

在领导者模型中，受试者跟随搭档的手腕位置

假设伴侣的手腕

人际目标整合模型提出，合作伙伴的目标

结合上述，考虑合作伙伴的控制方法，

为了估计合作伙伴的目标，伙伴的控制增益

其中，通过本体感觉测量自己的手腕位置θ

在确定搭档伴的控制策略

上述的等式(10)～(13)既能估计出合作伙伴的控制策略，又能推断出合作伙伴的目标。合作伙伴的目标可以通过他们的控制策略的知识和本体感受和触觉信息来估计，使用自己的目标进行替换只需要识别合作伙伴的控制策略。

将逻辑层中构建出的模型应用于应用层中的人机交互控制。

在人机交互过程中，将穿戴者视为领导者，将外骨骼视为合作伙伴。将上述算法植入到外骨骼程序中。通过传感器实时获取穿戴者输出的一个初始驱动力，视为上述模型中，手腕的输入力，然后，通过上述模型构建出应做出的动作，并通过机械臂将上述的实际动作进行表达。

将上述中，式11中的自己的手腕位置θ

具体参看图4，本发明还用于公开本发明包括一种基于人际间触觉信息的人机交互系统。

具体的本系统包括以下模块：

安装于机械外骨骼上的受力检测模块，所述受力检测模块用于实时采集人体对机械外骨骼施加的力；

安装于机械外骨骼上的处理模块，所述处理模块存储有运动意图动作映射模型；

所述运动意图动作映射模型为：

其中，θ

本系统还包括：

安装于机械外骨骼上的驱动模块，用于根据处理模块输出的机械外骨骼的运动控制策略进行运动。

具体的驱动模块应为机械外骨骼关节处安装的舵机，通过舵机驱动外骨骼运动。

具体的，受力检测模块为安装在机械臂出的应力应变传感器。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。