基于操作者意图的控制方法、装置、计算设备及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于操作者意图的控制方法、装置、计算设备及存储介质，所述基于操作者意图的控制方法包括步骤：基于虚拟夹具引导路径构造理想运动方向矩阵与禁止运动方向矩阵；基于操作者作用于机器人末端的实际操作力获得误差补偿力；根据机器人末端的实际路径和虚拟夹具引导路径获取误差补偿修正力；获取操作者意图参数值；基于所述理想运动方向矩阵、所述禁止运动方向矩阵、所述误差补偿力、所述误差补偿修正力和所述操作者意图参数值获得机器人末端的当前操作力。本发明专利技术可约束机器人末端以更加符合实际工况的期望方向运动，保证了虚拟夹具的人性化、智慧化和智能化，提高了人机共融，确保了机器人末端执行过程的精准性。

【技术实现步骤摘要】
基于操作者意图的控制方法、装置、计算设备及存储介质
本专利技术属于虚拟夹具控制
，更具体地，涉及一种基于操作者意图的控制方法、装置、计算设备及存储介质。
技术介绍
虚拟夹具技术是一种利用软件编程方法实现的生成运动约束算法，广泛应用于工业、医疗等领域。虚拟夹具技术可以在虚拟空间实现机械刚性夹具对禁止运动方向运动的约束，基于机器人自身的高精度以及稳定性特点，它可以辅助机器人精准地沿着期望方向运动，同时由于操作者的手动控制，又为机器人保留了一定程度的灵活性。但是在使用虚拟夹具构造方法过程中可能会出现根据先验知识构造的虚拟夹具无法与理想曲线或曲面完全吻合，或是由于安全问题造成原规划路径需要改变，或是在机器人操作过程中出现扰动、障碍物等突发情况，如在医疗机器人末端引导时，面对手术环境、接受手术者手术状况等的变化，虚拟夹具难以根据主刀医生意图进行自适应调整；或如磨削机器人末端引导时，无法根据复杂加工曲面难以根据操作者意图进行自适应调整。面对此类无法跟随环境和操作者意图而改变虚拟夹具构造的情况，如何融合操作者意图对虚拟夹具控制进行动态调整成为亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种基于操作者意图的控制方法、装置、计算设备及存储介质。其中，所述基于操作者意图的控制方法包括步骤：S1：基于虚拟夹具引导路径构造理想运动方向矩阵与禁止运动方向矩阵；S2：基于操作者作用于机器人末端的实际操作力获得误差补偿力；S3：根据机器人末端的实际路径和虚拟夹具引导路径获取误差补偿修正力；S4：获取操作者意图参数值，其中，所述意图参数值为所述误差补偿力的力变化率参数值和机器人末端的位置轮廓误差参数值两个参数值中的一个以上参数值；S5：基于所述理想运动方向矩阵、所述禁止运动方向矩阵、所述误差补偿力、所述误差补偿修正力和所述操作者意图参数值获得机器人末端的当前操作力。可选地，步骤S5之后还包括步骤：S6：根据所述当前操作力和导纳控制生成机器人末端的理想位姿。可选地，步骤S6之后还包括步骤：S71：获取重复步骤S1至步骤S6得到的机器人末端需要修正的路径点修改后所形成的修正点；S72：通过局部修正函数修正所述修正点以获得新路径点；S73：基于所述新路径点获得新的虚拟夹具引导路径；优选地，步骤S73之后还包括步骤：S74：拟合新的虚拟夹具引导路径和虚拟夹具引导路径形成实际示教路径。可选地，所述理想运动方向矩阵、所述禁止运动方向矩阵、所述误差补偿力、所述误差补偿修正力和所述操作者意图参数值的函数关系满足公式(1)；其中，M为质量矩阵；D为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；Δx为机器人末端的位姿误差，分别为位姿误差的一阶导、二阶导；fe'为fe经修正生成的当前操作力；fe为fh通过力传感器经滤波和重力补偿获得的误差补偿力；fh为操作者作用于机器人末端的实际操作力；Dr为理想运动方向矩阵；Dt为禁止运动方向矩阵；Υ(η)为操作者意图参数值，0≤Υ(η)≤1，操作者意图与Υ(η)呈正比；η为操作者意图表征系数；fc为误差补偿修正力。可选地，所述操作者意图参数值与虚拟夹具的刚柔性系数的函数关系满足公式(2)；kt＝1-Υ(η)(2)其中，kt为虚拟夹具的刚柔性系数，0≤kt≤1。可选地，步骤S4包括步骤：S41：获取所述误差补偿力的力变化率；S42：根据机器人末端的实际路径和虚拟夹具引导路径获取机器人末端的位置轮廓误差；S43：根据所述力变化率和所述位置轮廓误差得到操作者意图表征系数；S44：根据操作者意图表征函数和所述操作者意图表征系数得到所述操作者意图参数值，其中，所述操作者意图表征函数为关于所述操作者意图表征系数的函数；优选地，所述理想运动方向矩阵与所述禁止运动方向矩阵的计算模型满足公式(3)；其中，Dr为理想运动方向矩阵；Dt为禁止运动方向矩阵；Js为虚拟夹具引导路径的运动学模型，是关于曲线参数s的函数；I为单位矩阵；为求取二范数运算操作；优选地，所述误差补偿修正力的获取满足公式(4)；其中，K'为弹簧阻尼系统的对角刚度矩阵，B为弹簧阻尼系统的对角刚度矩阵，Xp与分别为虚拟夹具引导路径上轮廓点的位姿与速度，与分别为机器人末端的实际位姿与实际速度。可选地，所述操作者意图表征函数和所述操作者意图表征系数的函数关系满足公式(5)；Υ(η)＝η4-2η2+1(5)其中，Υ(η)为操作者意图参数值，0≤Υ(η)≤1，操作者意图与Υ(η)呈正比；η为操作者意图表征系数；优选地，所述力变化率、所述位置轮廓误差和所述操作者意图表征系数的函数关系满足公式(6)；η＝δα(||f'||)+(1-δ)β(εp)(6)其中，εp为机器人末端的当前位置轮廓误差；f'为所述误差补偿力的力变化率；α(||f'||)和β(εp)为不同的操作者意图保证系数；δ为线性组合系数，其数值大小根据具体场景选取，其中，α(||f'||)与f'的函数关系满足公式(7)，β(εp)与εp函数关系满足公式(8)；其中，Δfmin为最小补偿力值变化率，Δfmax为最大补偿力值变化率，其数值大小根据具体场景选取；dmin为最小位置轮廓误差，dmax最大位置轮廓误差，其数值大小根据具体场景选取。所述基于操作者意图的虚拟夹具控制装置，包括：构造模块，用以基于虚拟夹具引导路径构造理想运动方向矩阵与禁止运动方向矩阵；误差补偿力获取模块，用以基于操作者作用于机器人末端的实际操作力获得误差补偿力；误差补偿修正力获取模块，用以根据机器人末端的实际路径和虚拟夹具引导路径获取误差补偿修正力；操作者意图参数值获取模块，用以获取操作者意图参数值，其中，所述意图参数值为所述误差补偿力的力变化率参数值和机器人末端的位置轮廓误差参数值两个参数值中的一个以上参数值；当前操作力获取模块，用以基于所述理想运动方向矩阵、所述禁止运动方向矩阵、所述误差补偿力、所述误差补偿修正力和所述操作者意图参数值获得机器人末端的当前操作力。所述终端设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于操作者意图的虚拟夹具控制程序，所述基于操作者意图的虚拟夹具控制程序配置为实现上述任意一项所述的基于操作者意图的控制方法。所述计算机可读存储介质上存储有基于操作者意图的虚拟夹具控制程序，所述基于操作者意图的虚拟夹具控制程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的基于操作者意图的控制方法的步骤。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1.本专利技术中，当当前工况满足先验知识构造的工况时，虚拟夹具可辅助机器人末端基于根据先验知识构造的虚拟夹具精准的沿着期望方向运动(即根据在前虚拟夹具引导路径运动)，当当前工况不满足先验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于操作者意图的控制方法，适用于虚拟夹具，其特征在于，包括步骤：/nS1：基于虚拟夹具引导路径构造理想运动方向矩阵与禁止运动方向矩阵；/nS2：基于操作者作用于机器人末端的实际操作力获得误差补偿力；/nS3：根据机器人末端的实际路径和虚拟夹具引导路径获取误差补偿修正力；/nS4：获取操作者意图参数值，其中，所述意图参数值为所述误差补偿力的力变化率参数值和机器人末端的位置轮廓误差参数值两个参数值中的一个以上参数值；/nS5：基于所述理想运动方向矩阵、所述禁止运动方向矩阵、所述误差补偿力、所述误差补偿修正力和所述操作者意图参数值获得机器人末端的当前操作力。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于操作者意图的控制方法，适用于虚拟夹具，其特征在于，包括步骤：
S1：基于虚拟夹具引导路径构造理想运动方向矩阵与禁止运动方向矩阵；
S2：基于操作者作用于机器人末端的实际操作力获得误差补偿力；
S3：根据机器人末端的实际路径和虚拟夹具引导路径获取误差补偿修正力；
S4：获取操作者意图参数值，其中，所述意图参数值为所述误差补偿力的力变化率参数值和机器人末端的位置轮廓误差参数值两个参数值中的一个以上参数值；
S5：基于所述理想运动方向矩阵、所述禁止运动方向矩阵、所述误差补偿力、所述误差补偿修正力和所述操作者意图参数值获得机器人末端的当前操作力。


2.如权利要求1所述的基于操作者意图的控制方法，其特征在于，步骤S5之后还包括步骤：
S6：根据所述当前操作力和导纳控制生成机器人末端的理想位姿。


3.如权利要求2所述的基于操作者意图的控制方法，其特征在于，步骤S6之后还包括步骤：
S71：获取重复步骤S1至步骤S6得到的机器人末端需要修正的路径点修改后所形成的修正点；
S72：通过局部修正函数修正所述修正点以获得新路径点；
S73：基于所述新路径点获得新的虚拟夹具引导路径；优选地，步骤S73之后还包括步骤：
S74：拟合新的虚拟夹具引导路径和虚拟夹具引导路径形成实际示教路径。


4.如权利要求1所述的基于操作者意图的控制方法，其特征在于，所述理想运动方向矩阵、所述禁止运动方向矩阵、所述误差补偿力、所述误差补偿修正力和所述操作者意图参数值的函数关系满足公式(1)；



其中，M为质量矩阵；D为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；Δx为机器人末端的位姿误差，分别为位姿误差的一阶导、二阶导；f′e为fe经修正生成的当前操作力；fe为fh通过力传感器经滤波和重力补偿获得的误差补偿力；fh为操作者作用于机器人末端的实际操作力；Dr为理想运动方向矩阵；Dt为禁止运动方向矩阵；Υ(η)为操作者意图参数值，0≤Υ(η)≤1，操作者意图与Υ(η)呈正比；η为操作者意图表征系数；fc为误差补偿修正力。


5.如权利要求4所述的基于操作者意图的控制方法，其特征在于：
所述操作者意图参数值与虚拟夹具的刚柔性系数的函数关系满足公式(2)；
kt＝1-Υ(η)(2)
其中，kt为虚拟夹具的刚柔性系数，0≤kt≤1。


6.如权利要求1所述的基于操作者意图的控制方法，其特征在于，步骤S4包括步骤：
S41：获取所述误差补偿力的力变化率；
S42：根据机器人末端的实际路径和虚拟夹具引导路径获取机器人末端的位置轮廓误差；
S43：根据所述力变化率和所述位置轮廓误差得到操作者意图表征系数；
S44：根据操作者意图表征函数和所述操作者意图表征系数得到所述操作者意图参数值，其中，所述操作者意图表征函数为关于所述操作者意图表征系数的函数；优选地，
所述理想运动方向矩阵与所述禁止运动方向矩阵的计算模型满足公式(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵欢，葛科迪，刘家成，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42