基于力感知的机器人人机物理协作共享可变导纳控制方法

本发明涉及自动控制技术与机器人控制，特别是指一种基于力感知的机器人人机物理协作共享可变导纳控制方法。

背景技术：

1、随着机器人技术的飞速发展，人机协作逐渐成为工业、医疗、服务等领域的重要研究热点。在人机协作中，人类在处理复杂任务和突发情况方面表现出更强的适应性，而机器人在体力和精度方面提供帮助。为了实现智能高效的人机协作，变导纳控制和人机共享控制这两个关键概念在提高协作性能和灵活性方面发挥了关键作用。

2、人机协作搬运是一种常见的协作应用方式。在人机协作搬运任务中人类操作者直接通过对机器人末端执行器施加力来操纵机器人，机器人表现出顺应性。我们希望协作机器人能够更加主动响应人类的期望运动而并非完全被动的跟随人类执行，加重人类的操作负担，这就要求机器人能够获取人类的操作意图和运动意图。协作机器人根据获取到的力和速度等信息对人类的操作意图进行估计与预测，调整自身协作特性，提高人机交互过程的易用性和灵活性。

3、在早期的研究工作中，可变阻抗控制器的设计依赖于对人体手臂阻抗的估计，根据估计的刚度调整阻尼参数，这种做法对实验条件的要求比较苛刻，只能实现实验室层面的应用。另外，一些研究通过识别不同模式的高频外力，相应地调整阻抗参数，使机器人能够适应外力，该方法由于需要分类识别算法，很大程度上会影响算法的实时性。

4、从以上可看出，当前协作机器人的变导纳控制方案大多存在实时性差、难以应用等问题，很少能应用于实际的人机协作场景。此外，在一些非结构化环境和半结构化环境中，协作任务不能完全由人类引导与控制，而是具有各自主导的子任务，人与协作机器人的两个子任务构成了整个协作任务。这就产生了如何正确处理人与机器人控制目标相矛盾的情形，对于这个问题目前鲜有研究涉及。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于力感知的机器人人机物理协作共享可变导纳控制方法，以解决现有的控制方案所存在的实时性差、难以应用的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种基于力感知的机器人人机物理协作共享可变导纳控制方法，用于人机协作控制系统，所述人机协作控制系统包括协作机械臂和计算机；所述协作机械臂的末端设置有夹爪，用于夹持待搬运物体；所述协作机械臂的各关节上内置有关节力矩传感器，用于获取协作机械臂的关节力矩；所述协作机械臂与所述计算机通信连接，所述计算机用于实现所述基于力感知的机器人人机物理协作共享可变导纳控制方法，以控制所述协作机械臂与操作者配合，完成搬运任务；所述机器人人机物理协作共享可变导纳控制方法包括：

4、获取协作机械臂当前的状态信息；其中，所述状态信息包括协作机械臂的末端位置、速度以及与外界的交互力；交互力通过协作机械臂各关节力矩计算；

5、基于协作机械臂当前的状态信息，采用基于力的变导纳共享控制框架，生成所述协作机械臂的期望轨迹；其中，所述基于力的变导纳共享控制框架采用导纳控制模型基于所述状态信息生成所述协作机械臂的期望轨迹；且所述导纳控制模型中的阻尼项与刚度项能够根据操作者的运动意图实时调节；

6、控制所述协作机械臂按照所述期望轨迹移动，以与操作者进行配合搬运。进一步地，所述末端位置、速度与关节力矩表现形式如下：

7、xe＝[x,y,z]t

8、v＝[vx,vy,vz]t

9、τ＝[τ1,τ2,…,τ7]t

10、其中，xe表示协作机械臂的末端位置；x、y、z分别表示协作机械臂末端执行器相对于协作机械臂基坐标系的x轴、y轴和z轴坐标；v表示协作机械臂的末端速度；vx、vy、vz分别表示协作机械臂末端执行器相对于协作机械臂基坐标系的x轴、y轴和z轴运动速度；τ表示协作机械臂各关节力矩；τi表示协作机械臂与所搬运物体交互时第i个关节的关节力矩，i＝1,2,3,4,5,6,7。

11、进一步地，所述协作机械臂末端与所搬运物体产生的交互力与所述协作机械臂各关节力矩关系表示如下：

12、τ＝jtfh

13、其中，jt表示所述协作机械臂的雅各比矩阵的转置；fh表示所述协作机械臂末端与所搬运物体产生的交互力。

14、进一步地，所述基于力的变导纳共享控制框架在导纳控制模型的阻尼项中设计阻尼自适应律，使得所述导纳控制模型中的阻尼项能够根据操作者的运动意图实时调节，从而使协作机械臂对操作者运动意图表现出不同的特性，以降低操作者在任务中的负担；并且所述基于力的变导纳共享控制框架在导纳控制模型的刚度项中设计刚度自适应律，使得所述导纳控制模型中的刚度项能够根据操作者的运动意图实时调节，从而使协作机械臂在与操作者存在控制目标分歧时能够及时调整自身的笛卡尔刚度，从而使操作者能够干预协作机械臂的子任务并在必要时进行主导，从而完成一些类似紧急避障的附加任务。

15、进一步地，在导纳控制模型的阻尼项中设计阻尼自适应律，包括：

16、通过协作机械臂的末端速度，得到阻尼自适应调节的初步判定条件如下：

17、

18、其中，v和vthres分别表示协作机械臂相应维度的速度和速度阈值；b表示阻尼值；b(|fh|)表示随交互力变化的阻尼值函数；

19、通过协作机械臂末端与所搬运物体产生的交互力fh，使协作机械臂尽可能根据操作者的操作意图来调节阻尼项；得到阻尼自适应调节的最终判定条件如下：

20、

21、其中，bmax和bmin分别最大和最小阻尼设定值；ft1和ft2表示两个力阈值，ft1和ft2的中间值为fm；kf表示正增益参数；e表示自然常数。

22、进一步地，在导纳控制模型的刚度项中设计刚度自适应律，包括：

23、通过协作机械臂的末端位置xe和交互力fh，设计刚度自适应律形式如下：

24、

25、ψ＝afδ+bdδ

26、

27、

28、其中，k(t)表示当前时刻的刚度值；-α(k(t)-k0)为刚度恢复项，与时间t相关；α为恢复项正增益参数；-βψ表示衰减项；β为衰减项正增益参数；k0表示刚度初始值，初始化为最大值；b是影响刚度对偏差距离dδ变化敏感性的常数；a是影响刚度对交互力与设定阈值的差fδ变化敏感性的常数；d表示所搬运物体当前位置与设定工作平面在z方向的偏差距离；fthres和dthres分别表示设定的力阈值与偏差距离阈值；fh,z表示协作机械臂在z方向的交互力。

29、进一步地，所述基于力的变导纳共享控制框架表示为：

30、

31、

32、

33、x0＝[0,0,z0]t

34、其中，x0表示协作机械臂在z方向上的参考位置；x、分别表示所述协作机械臂通过所述导纳模型计算得到的期望位置、速度和加速度；fh表示所述协作机械臂末端与所搬运物体产生的交互力；madm、分别为所述导纳模型的惯性、阻尼和刚度参数矩阵；c为正增益参数，c＜1；z0表示平衡位置。

35、进一步地，控制所述协作机械臂按照所述期望轨迹移动，包括：

36、采用pid控制算法对协作机械臂进行速度级控制，以实现精确的位置跟踪。

37、再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

38、又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

39、本发明基于人机协作搬运任务，研究了协作机器人变导纳控制与共享控制方法，提供了一种用于人机物理协作场景下的基于力感知的机器人人机物理协作共享可变导纳控制方法，进一步实现更加灵活与协作便利的人机协作控制。

40、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

41、1、本发明基于协作机械臂，并利用关节力矩传感器完成关节力到末端力的转换计算，提高了协作机械臂在交互过程中感知外界交互力信息的能力，结合机械臂本身的状态反馈机制，使其具备了完成复杂协作任务的能力。

42、2、本发明考虑协作时末端的外力和运动速度，设计了一种导纳阻尼参数自适应方法，使其能够根据人的运动意图为协作提供可变的阻尼参数，使不同阶段的主观舒适度更合适，提高协作效率。

43、3、本发明针对半结构化协作场景，给出一种人与机器人控制权分离的解决方案，设计了一种新的刚度自适应律，允许人类在一定条件下临时干预和改变机器人的子任务，以获得更大的灵活性和协作性。

44、4、本发明在将上述两部分与导纳控制相结合，给出了完整的基于力的变导纳共享控制框架，能够使人机协作更加省力和高效。