一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法，本发明专利技术控制方法包括以下步骤：采集操作力通过导纳控制计算机器人期望位置实现拖动示教功能；操作者带动机器人与环境第一次接触利用稳定检测器调整导纳参数恢复稳定，再通过环境估计模块计算名义环境位置和虚拟环境位置；操作者再次与当前环境交互时通过比较当前位置和虚拟环境位置，选择变导纳策略来调整导纳参数以保证稳定安全的交互；由此，通过稳定检测器和环境估计模块进行变导纳控制保证了人、环境和机器人耦合交互的稳定性和安全性。的稳定性和安全性。的稳定性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法


[0001]本专利技术属于人机交互相关
，具体涉及一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的不断发展，机器人从传统围栏里工作到与人协作，与人类的距离越来越近。机器人与环境或人的物理交互控制在康复、救援、医疗手术和多机器人合作等
越来越重要。在这些交互过程中，机器人与环境或与人进行物理接触必须保证交互的稳定和安全。如果不保证交互接触时的稳定性，机器人与环境或与人之间的大冲击力或连续振荡力会对机器人和环境或人造成危害。
[0003]导纳方法被广泛应用于机械臂的柔顺控制中，因为导致控制器是一个二阶质量
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弹簧
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阻尼系统，能将传感器测量的外部作用力/力矩与机械臂末端执行器的位置关联起来。导纳参数的适当选择也是非常重要的，因为它影响着机器人与外界环境交互的稳定性，例如，低导纳时机器人有较好的跟随能力，但外界阻抗突变时又容易出现不稳定，而高导纳时跟随能力就会变差，增加交互的工作量。
[0004]针对于机器人安全、稳定交互的稳定，现有的技术要么只适用与人机交互场景，要么只适用于环境交互场景。传统的人机交互场景中都尽量将导纳参数设置在较小值以保证操作舒适性，环境交互中则是保持导纳参数在一个较高的固定值以防止交互过程中出现不稳定的抖动。但在复杂多变的场景中，往往需要人类带动机器人与环境进行耦合交互。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的是现有技术中不能保证人、环境和机器人耦合交互的稳定性和安全性的技术问题，提出了一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法，以保证操作者能够带动机器人与环境安全稳定的交互。
[0006]为实现所述专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0007]一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，该系统主要由稳定观测系统，环境估计系统，变导纳控制系统和机器人位置控制系统四部分组成。
[0008]稳定观测系统主要用于观测当前交互状态是否稳定，利用巴特沃斯高通滤波器和低通滤波器对原始力信号进行分析。因为操作者正常拖动情况下的频率在2Hz内，所以将2Hz以上的频率视为高频，2Hz以下的频率视为低频。将高频力信号与低频力信号的范数之比做为检测值，2Hz对应的稳态值设定为稳定阈值ε，当超过该稳定阈值ε时则视为当前交互不稳定，反正则稳定。
[0009]环境估计系统主要用于计算当前的名义环境位置和虚拟环境位置其中名义环境位置是机器人与环境接触稳定后的位置，用来计算虚拟环境位置虚拟环境位置相当于一个稳定边界，当大于等于这个稳定边界时说明机器人即将与环境产生冲激而不
稳定振动。
[0010]变导纳控制系统主要用于保证机器人能够跟随操作者柔顺运动，当机器人没有与环境接触，只与操作者交互时，采用CaseA调整策略，导纳参数能够保持在最小值使操作者拖动更加柔顺和舒适；操作者带着机器人与环境耦合交互后，采用CaseB调整策略，导纳参数能做出相应调整以保证耦合交互的稳定性和安全性。
[0011]机器人位置控制系统主要用于采集变导纳控制系统传来的期望笛卡尔位置，期望笛卡尔位置通过逆运动学计算出关节位置，关节位置经过关节位置控制器输出关节力矩驱动机器人运动。
[0012]一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，包括：
[0013]稳定观测系统，用于观测当前交互状态是否稳定，利用巴特沃斯高通滤波器和低通滤波器对原始力信号进行分析；
[0014]环境估计系统，用于计算当前的名义环境位置和虚拟环境位置，其中名义环境位置是机器人与环境接触稳定后的位置，用来计算虚拟环境位置，虚拟环境位置相当于一个稳定边界，当大于等于这个稳定边界时说明机器人即将与环境产生冲激而不稳定振动；
[0015]变导纳控制系统，用于保证机器人跟随操作者柔顺运动，当机器人没有与环境接触，只与操作者交互时，导纳参数保持在机器人能够稳定交互的最小值使操作者拖动；操作者带着机器人与环境耦合交互后，导纳参数做出相应调整。
[0016]机器人位置控制系统，用于计算机器人目标位置，控制机器人到达指定的目标位置。
[0017]进一步优选，所述的稳定观测系统包括：
[0018]安装在机器人的机械臂末端的力传感器，用于获取交互环境下机械臂末端的六维力信息；
[0019]稳定检测器，用于获取机械臂末端力传感器的六维力信息判断当前的交互状态是否稳定。
[0020]进一步优选，所述的稳定检测器包括：并联的高通滤波器和低通滤波器，机械臂末端的六维力信息先经过高通滤波器得到高频力信号；机械臂末端的六维力信息经过低通滤波器得到低频力信号；将高频力信号和低频力信号的二范数之比作为检测值；所述的高频为2Hz～5Hz；所述的低频为0Hz～1.999Hz。
[0021]所述的环境估计系统包括：环境估计模块，计算当前的名义环境位置和虚拟环境位置发送给参数调整模块。
[0022]所述的变导纳控制系统包括：
[0023]导纳控制模块，根据机械臂末端力传感器的六维力信息和参数调整模块，计算出期望笛卡尔位置发送给机器人位置控制系统；
[0024]参数调整模块，根据环境估计系统和稳定观测系统选择导纳参数的调整策略，将调整参数发送给导纳控制模块。
[0025]所述的机器人位置控制系统包括：
[0026]逆运动学模块，根据变导纳控制系统传入的期望笛卡尔位置计算关节位置；
[0027]关节位置控制器，根据关节位置计算输出关节力矩传给机器人；
[0028]机器人，根据关节力矩进行运动。
[0029]一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制方法，包括以下步骤：
[0030]S1、采集安装在机械臂末端力传感器的六维力信息，六维力信息是操作者作用在机械臂末端力传感器的力信息，六维力信息经过导纳控制计算出期望笛卡尔位置，机器人位置控制系统接收到期望笛卡尔位置后控制机械臂末端到指定位置；
[0031]S2、记录机械臂末端的初始位置，操作者带动机器臂与水平硬质面进行第一次接触，机械臂末端在接触方向上振动，振动时机械臂末端力传感器将六维力信息输入给稳定检测器，得到实时的检测值，根据实时的检测值变导纳保证接触稳定，再计算当前的名义环境位置和当前的虚拟环境位置，当前的名义环境位置为当前的机械臂末端的位置，当前的虚拟环境位置根据当前的名义环境位置计算得到；
[0032]当前的虚拟环境位置为：
[0033][0034]其中，为虚拟环境位置，为名义环境位置，x0为初始环境位置。
[0035]此时的变导纳策略为CaseB：
[0036][0037]其中，m0和k0为惯量m和刚度k的初始值，它们是保证机器人稳定运行的最低导纳参数。m(t)是当前周期计算的惯量值，b(t)是当前周期计算的阻尼值，k(t)是当前周期计算的刚度值。ε是稳定阈值，是稳定检测器I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，其特征在于，包括：稳定观测系统，用于观测当前交互状态是否稳定，利用巴特沃斯高通滤波器和低通滤波器对原始力信号进行分析；环境估计系统，用于计算当前的名义环境位置和虚拟环境位置，其中名义环境位置是机器人与环境接触稳定后的位置，用来计算虚拟环境位置，虚拟环境位置相当于一个稳定边界，当大于等于这个稳定边界时说明机器人即将与环境产生冲激而不稳定振动；变导纳控制系统，用于保证机器人跟随操作者柔顺运动，当机器人没有与环境接触，只与操作者交互时，导纳参数保持在机器人能够稳定交互的最小值使操作者拖动；操作者带着机器人与环境耦合交互后，导纳参数做出相应调整；机器人位置控制系统，用于计算机器人目标位置，控制机器人到达指定的目标位置。2.根据权利要求1所述的人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，其特征在于，所述稳定观测系统包括：安装在机器人的机械臂末端的力传感器，用于获取交互环境下机械臂末端的六维力信息；稳定检测器，用于获取机械臂末端力传感器的六维力信息判断当前的交互状态是否稳定。3.根据权利要求1所述的人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，其特征在于，所述的稳定检测器包括：并联的二阶巴特沃斯高通滤波器和二阶巴特沃斯低通滤波器；所述机械臂末端的六维力信息经过所述二阶巴特沃斯高通滤波器得到高频力信号；所述机械臂末端的六维力信息经过所述二阶巴特沃斯低通滤波器得到低频力信号；将高频力信号和低频力信号的二范数之比作为检测值；所述的高频为2Hz～5Hz；所述的低频为0Hz～1.999Hz。4.根据权利要求1所述的人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，其特征在于，所述的环境估计系统包括：环境估计模块，计算当前的名义环境位置和虚拟环境位置发送给参数调整模块。5.根据权利要求1所述的人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，其特征在于，所述的变导纳控制系统包括：导纳控制模块，根据机械臂末端力传感器的六维力信息和参数调整模块，计算出期望笛卡尔位置发送给所述机器人位置控制系统；参数调整模块，根据环境估计系统和稳定观测系统选择导纳参数的调整策略，将调整参数发送给导纳控制模块。6.一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制方法，其特征在于，采用权利要求1～5任一项所述的人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，包括以下步骤：S1、采集安装在机械臂末端力传感器的六维力信息，六维力信息是操作者作用在机械臂末端力传感器的力信息，六维力信息经过导纳控制计算出期望笛卡尔位置，机器人位置控制系统接收到期望笛卡尔位置后控制机械臂末端到指定位置；S2、记录机械臂末端的初始位置，操作者带动机器臂与水平硬质面进行第一次接触，机械臂末端在接触方向上振动，振动时机械臂末端力传感器将六维力信息输入给稳定检测
器，得到实时的检测值，根据实时的检测值...

【专利技术属性】
技术研发人员：李研彪，汪龙祥，陈庆盈，孙鹏，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：