7、人机协作操作中的虚拟夹具技术

人机协作操作中的虚拟夹具技术

1. 计算优选方向的规则

在人机协作操作中，存在计算相对于表面 S 的优选方向 D = D(t) 的规则。当且仅当 u = 0 时，⟨D⟩u = 0（运动方向与控制律一致）。通过以下优选方向的选择：
[D_g(x) = (1 - k_d)[D]f - k_d\parallel f\parallel⟨D⟩u]
其中 (0 < k_d < 1)，可以得到一个虚拟夹具，它能控制机器人朝向表面 S 运动，并试图将用户的运动保持在该表面内。

示例说明

考虑将工具尖端移动到过原点平面的问题，并增加工具 z 轴应沿平面法向量定向的约束。设 n 为优选运动方向，z 为沿工具 z 轴的向量，控制律定义为：
[u =
\begin{bmatrix}
-(x \cdot n)n \
z\times n
\end{bmatrix}
]
此控制律能使机器人移动到平面内，同时使末端执行器的 z 轴沿平面法向量定向。令
[D = D(t) =
\begin{bmatrix}
⟨n⟩0 \
0 n
\end{bmatrix}
]
则 [D] 是跨越平面的平移向量以及绕平面法向量旋转的基。由于控制律产生垂直于平面的平移和位于平面内轴的旋转，所以 [D]u = 0，满足一般虚拟夹具规则的应用条件。

2. 基于视觉的虚拟夹具

2.1 控制观察者：纯平移情况

当相机固定在机械臂末端且观察固定静态环境时，目标是根据相机图像提取的信息定义相机的运动，从而