基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教系统与方法，该系统包括：肌电手环、机器人、六维力传感器、拖动工具和工控机；肌电手环测量手臂成对拮抗肌的原始肌电信号，工控机获取肌电信号估计出手臂末端刚度椭球，获取六维力计算离散导纳控制器输出的期望速度和位置，将机器人末端的位置误差加入位置跟踪控制器中输出主任务控制量，速度可操作性椭球跟踪控制器计算出期望速度可操作性椭球并输出次任务控制量，组合主任务控制量和次任务控制量得到期望关节角速度，积分计算得到当前期望关节角度并通过位置伺服接口发给机器人进行控制。本发明专利技术帮助示教者克服不稳定性和阻力，减轻了示教者的负担，提高了操作的稳定性。的稳定性。的稳定性。

Robot dragging teaching system and method based on EMG signal and kinematic redundancy

【技术实现步骤摘要】
基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教系统与方法


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，具体涉及一种基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教系统与方法。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的发展，越来越多的工业机器人被投入自动化生产中，其中，示教编程是赋予机器人完成指定生产任务能力的关键步骤。机器人示教分为示教器示教和拖动示教，示教器示教对示教者的编程能力和技术水平都提出了一定的要求，且示教效率低；而拖动示教操作直观简单，无需示教者编程，示教效率高，已经成为机器人示教的流行方式。
[0003]目前，拖动示教主要分为基于六维力传感器的拖动示教和基于机器人动力学补偿的拖动示教。前者需要在机器人上安装六维力传感器，后者需要获取机器人的动力学参数和摩擦力模型。然而，相当一部分的工业机器人只开放了位置伺服接口，不开放力矩控制接口，并且不提供获取机器人动力学参数的接口。这意味着使用基于机器人动力学补偿的拖动示教需要由示教者进行机器人动力学参数和摩擦力模型的辨识，而该辨识过程往往存在较大误差，不利于拖动示教。此外，上述两种拖动示教方式只能记录位置和力信息，而不能记录刚度和可操作性信息，不利于将人的技能传递给机器人。同时，上述两种拖动示教方式不能在线改变机器人末端阻抗参数和可操作性，无法对示教者手臂末端刚度的变化做出响应，不利于示教者克服拖动示教中的不稳定性和拖动阻力。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教系统与方法，使示教者可以准确高效地对开放位置伺服接口的任意机器人进行拖动示教，通用性好，而且能够将示教者改变位置、力、刚度和可操作性的技能传递给机器人；在拖动示教过程中在线调节阻抗参数和速度可操作性椭球，帮助示教者克服不稳定性和阻力，减轻了示教者的负担，提高了操作的稳定性。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术提供一种基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教系统，包括：肌电手环、机器人、六维力传感器、拖动工具和工控机；
[0007]所述肌电手环用于测量示教者手臂成对拮抗肌的原始肌电信号，所述六维力传感器安装在机器人法兰盘末端和拖动工具之间，用于测量施加在拖动工具上的六维力；
[0008]所述工控机用于从肌电手环获取肌电信号估计出示教者的手臂末端刚度椭球，自动调整离散导纳控制器的参数以适应示教者手臂末端刚度椭球；
[0009]所述工控机用于从六维力传感器获取作用在拖动工具上的六维力，计算离散导纳控制器输出的期望速度和位置，将机器人末端的位置误差加入位置跟踪控制器中，输出跟踪期望位置控制量，使用速度可操作性椭球跟踪控制器计算出期望速度可操作性椭球并输出跟踪期望速度可操作性椭球控制量，根据冗余机械臂的零空间算法组合跟踪期望位置控
制量和跟踪期望速度可操作性椭球控制量得到期望关节角速度，通过积分计算得到当前期望关节角度，将当前期望关节角度通过位置伺服接口发送给机器人进行控制。
[0010]本专利技术还提供一种基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教方法，包括下述步骤：
[0011]定义手臂末端刚度椭球的各个主轴方向，选取对应手臂末端刚度椭球各个主轴方向的多对拮抗肌，工控机从肌电手环获取手臂上选取的多对拮抗肌的原始肌电信号，对原始肌电信号进行整流和滤波，得到肌电信号包络；
[0012]获取肌电信号估计出示教者的手臂末端刚度椭球，调整离散导纳控制器的参数以适应示教者手臂末端刚度椭球；
[0013]工控机从六维力传感器获取作用在拖动工具上的六维力，运行离散导纳控制器，计算出当前机器人末端期望速度和位置；
[0014]根据冗余机械臂的零空间算法，定义控制机器人的主任务为跟踪离散导纳控制器输出的期望位置，定义控制机器人的次任务为跟踪期望速度可操作性椭球；
[0015]将机器人末端的位置误差加入位置跟踪控制器中，得到主任务控制量；
[0016]定义机器人的期望速度可操作性椭球对应矩阵，定义机器人的当前速度可操作性椭球对应矩阵；
[0017]构建优化函数为机器人的期望速度可操作性椭球对应矩阵和当前速度可操作性椭球对应矩阵的欧式距离，基于优化函数得到次任务控制量；
[0018]组合主任务控制量和次任务控制量得到期望关节角速度，通过积分计算得到机器人的当前期望关节角度；
[0019]工控机将机器人的当前期望关节角度通过位置伺服接口发送给机器人，完成一个周期对机器人的控制。
[0020]作为优选的技术方案，所述对原始肌电信号进行整流和滤波，得到肌电信号包络，具体计算公式为：
[0021][0022]其中，表示肌电信号包络，E
i
(k)表示原始肌电信号，k表示当前采样时刻，w为滤波滑动窗口的大小。
[0023]作为优选的技术方案，所述工控机从六维力传感器获取作用在拖动工具上的六维力，运行离散导纳控制器，计算出当前机器人末端期望速度和位置，具体计算公式为：
[0024][0025][0026][0027][0028][0029]C
j
(k)＝min(A
2j
‑1(k)，A
2j
(k))
[0030][0031]其中，x0表示机器人末端初始期望位置，和x
d
(k)分别为由离散导纳控制器计算出的当前机器人末端期望加速度、速度和位置，F
ext
(k)表示作用在拖动工具上的六维力，T是控制周期，M
d
为离散导纳控制器中的质量参数，k代表当前时间步，和分别是机器人末端各方向的刚度最大值和最小值，ρ表示尺度因子，K
d
(k)、D
d
(k)分别表示离散导纳控制器的刚度参数和阻尼参数，C
j
(k)表示手臂末端刚度椭球各个主轴的长度，表示对应肌肉的最大主动收缩值，表示肌电信号包络。
[0032]作为优选的技术方案，所述将机器人末端的位置误差加入位置跟踪控制器中，得到主任务控制量，具体步骤包括：
[0033]主任务控制量为：
[0034][0035][0036]其中，G
x
为对称正定矩阵，n为机器人的自由度，m为任务空间的自由度，和x
d
分别为由离散导纳控制器计算出的当前机器人末端期望速度和位置，J表示当前的雅可比矩阵，x表示机器人末端当前位置，I表示单位矩阵。
[0037]作为优选的技术方案，所述构建优化函数为机器人的期望速度可操作性椭球对应矩阵和当前速度可操作性椭球对应矩阵的欧式距离，基于优化函数得到次任务控制量，具体步骤包括：
[0038]机器人的期望速度可操作性椭球对应矩阵表示为：
[0039][0040]机器人的当前速度可操作性椭球对应矩阵表示为：
[0041]M
c
＝JJ
T
[0042]构建优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教系统，其特征在于，包括：肌电手环、机器人、六维力传感器、拖动工具和工控机；所述肌电手环用于测量示教者手臂成对拮抗肌的原始肌电信号，所述六维力传感器安装在机器人法兰盘末端和拖动工具之间，用于测量施加在拖动工具上的六维力；所述工控机用于从肌电手环获取肌电信号估计出示教者的手臂末端刚度椭球，自动调整离散导纳控制器的参数以适应示教者手臂末端刚度椭球；所述工控机用于从六维力传感器获取作用在拖动工具上的六维力，计算离散导纳控制器输出的期望速度和位置，将机器人末端的位置误差加入位置跟踪控制器中，输出跟踪期望位置控制量，使用速度可操作性椭球跟踪控制器计算出期望速度可操作性椭球并输出跟踪期望速度可操作性椭球控制量，根据冗余机械臂的零空间算法组合跟踪期望位置控制量和跟踪期望速度可操作性椭球控制量得到期望关节角速度，通过积分计算得到当前期望关节角度，将当前期望关节角度通过位置伺服接口发送给机器人进行控制。2.一种基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教方法，其特征在于，包括下述步骤：定义手臂末端刚度椭球的各个主轴方向，选取对应手臂末端刚度椭球各个主轴方向的多对拮抗肌，工控机从肌电手环获取手臂上选取的多对拮抗肌的原始肌电信号，对原始肌电信号进行整流和滤波，得到肌电信号包络；获取肌电信号估计出示教者的手臂末端刚度椭球，调整离散导纳控制器的参数以适应示教者手臂末端刚度椭球；工控机从六维力传感器获取作用在拖动工具上的六维力，运行离散导纳控制器，计算出当前机器人末端期望速度和位置；根据冗余机械臂的零空间算法，定义控制机器人的主任务为跟踪离散导纳控制器输出的期望位置，定义控制机器人的次任务为跟踪期望速度可操作性椭球；将机器人末端的位置误差加入位置跟踪控制器中，得到主任务控制量；定义机器人的期望速度可操作性椭球对应矩阵，定义机器人的当前速度可操作性椭球对应矩阵；构建优化函数为机器人的期望速度可操作性椭球对应矩阵和当前速度可操作性椭球对应矩阵的欧式距离，基于优化函数得到次任务控制量；组合主任务控制量和次任务控制量得到期望关节角速度，通过积分计算得到机器人的当前期望关节角度；工控机将机器人的当前期望关节角度通过位置伺服接口发送给机器人，完成一个周期对机器人的控制。3.根据权利要求2所述的基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教方法，其特征在于，所述对原始肌电信号进行整流和滤波，得到肌电信号包络，具体计算公式为：其中，表示肌电信号包络，E
i
(k)表示原始肌电信号，k表示当前采样时刻，w为滤波滑动窗口的大小。
4.根据权利要求2所述的基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教方法，其特征在于，所述工控机从六维力传感器获取作用在拖动工具上的六维力，运行离散导纳控制器，计算出当前机器人末端期望速度和位置，具体计算公式为：速度和位置，具体计算公式为：速度和位置，具体计算公式为：速度和位置，具体计算公式为：速度和位置，具体计算公式为：C
j
(k)＝min(A
2j
‑1(k),A
2j
(k))其中，x0表示机器人末端初始期望位置，和x
d
(k)分别为由离散导纳控制器计算出的当前机器人末端期望加速度、速度和位置，F
ext
(k)表示作用在拖动工具上的六维力，T是控制周期，M
d
为离散导纳控制器中的质量参数，k代表当前时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辰光，叶德禧，黄浩晖，
申请(专利权)人：佛山纽欣肯智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：