一种按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法技术

本发明专利技术涉及一种按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法，包括：采集人体背部的RGB

【技术实现步骤摘要】
一种按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人交互与运动控制
，特别是涉及一种按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法。

技术介绍

[0002]机器人与人的物理交互是近年来的一个新兴研究领域。其中机器人擦拭人体背部是典型操作，在传统中医按摩、现代医学超声检测、临床护理等都具有重大研究意义和应用前景。
[0003]按摩轨迹规划是机器人进行人体按摩操作的前提。目前，机器人的路径规划方法繁多，例如循迹，遥操作，手动示教等方法。但这些轨迹规划方法难以实现机器人与人的物理交互。近年来将视觉引入机器人控制是主流的发展方向，如超声扫描机器人识别医学记号，传统中医按摩机器人引入人体穴位识别。但要实现这些方法需要较高的学习成本，本专利技术采用的视觉的交互式路径规划方法对按摩机器人进行操作轨迹规划，以更低成本发挥了机器人视觉感知的优势，降低了对操作者的使用要求，同时在轨迹跟踪的方法上实现了更具挑战的按摩。
[0004]揉、擦和拍是目前按摩机器人能够实现的常见三种按摩技术。其中，做拍击的按摩机器人，因为其动作特性，在轨迹追踪上为位置控制，在拍击力道上多为固定的拍击力度。这种位置和力分离控制的结构难以完成更为复杂的擦、揉动作。因此混合的力/位控制在机器人与人接触的环境中衍生，机器人需具备感知环境接触力的能力以提高安全性。本文专利采用机器人各关节力矩传感估算机器人末端接触力，以视觉的方法动态跟踪轨迹，通过内外双循环的闭环控制能够在机器人擦拭按摩中实现混合的力/位控制。这种轨迹追踪的控制方法能够既能实现精确的位置追踪，又能够保持期望的机器人与人的接触力。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法，该方法可应用于人机物理交互示教，机器人按摩和医学临床护理等场景。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法，包括：
[0008]采集人体背部的RGB
‑
D图像，对所述RGB
‑
D图像进行二维轨迹规划，获得二维轨迹，将所述二维轨迹映射至三维空间，并进行在线交互式规划按摩轨迹，得到机器人控制的三维轨迹；
[0009]在所述机器人控制三维轨迹运动的同时，采集所述人体背部的点云信息，配准所述点云信息，更新所述机器人的按摩轨迹；
[0010]测量并计算所述机器人的关节扭矩，得到所述机器人末端的接触力；
[0011]通过自适应控制所述按摩轨迹和调整所述接触力进行力和位置混合控制,控制所述机器人的运动。
[0012]优选地，得到所述机器人控制的三维轨迹包括：
[0013]在所述二维轨迹中提取所述二维轨迹的像素点，并结合点云数据映射至三维空间进行在线交互式规划按摩轨迹，得到空间三维轨迹；
[0014]对所述空间三维轨迹进行拟合，得到机器人控制的三维轨迹。
[0015]优选地，映射至三维空间进行在线交互式规划按摩轨迹的方法为：
[0016][0017]其中，c
x
,c
y
分别为深度图像的中心坐标，f为深度相机焦距，u,v为记录的2D轨迹中的某一像素坐标点，z
c
为该像素坐标点的深度信息，x
w
,y
w
和z
w
分别为世界坐标系下的坐标，d
x
,d
y
分别为实际像素大小。
[0018]优选地，更新所述机器人的按摩轨迹包括：
[0019]通过配准所述点云数据，得到齐次变化矩阵，计算所述齐次变化矩阵，得到人体背部的平移信息和人体背部的旋转信息，判断所述平移信息和所述旋转信息是否超出预设阈值，若超出预设阈值，则视为所述人体背部发生运动，并基于所述齐次变化矩阵更新所述机器人的按摩轨迹，若未超出预设阈值，则视为所述人体背部未发生运动，所述机器人的按摩轨迹保持不变。
[0020]优选地，更新所述机器人的按摩轨迹方法为：
[0021][0022]其中，轨迹为当前机器人理想特征姿态，R为旋转矩阵，为上一时刻机器人理想特征姿态，t为平移向量。
[0023]优选地，对所述关节扭矩进行计算的方法为：
[0024]F＝(J
T
)
‑1Ψ
[0025]其中，F为机器人末端估算力，J为雅各比矩阵，Ψ为机器人关节力矩向量。
[0026]优选地，自适应追踪所述按摩轨迹包括：
[0027]从所述机器人的按摩轨迹中，定义所述机器人接触人体背部的理想末端位置，得到理想特征姿态，所述机器人读取当前时刻的特征姿态，所述理想特征姿态和所述当前时刻的特征姿态相减，得到特征姿态误差，基于所述特征姿态误差，获得所述机器人的期望速度，基于所述期望速度，自适应追踪所述按摩轨迹。
[0028]优选地，调整所述接触力包括：
[0029]设定期望接触力，将所述接触力与所述期望接触力相减，得到接触力误差，将所述触力误差输入到所述机器人的PID控制器中，输出理想末端法向速度，通过所述理想末端法向速度控制调节所述接触力。
[0030]优选地，控制所述机器人的运动包括：
[0031]将所述期望速度和所述理想末端法向速度结合，得到理想末端速度；对所述理想
末端速度进行计算，得到所述机器人的关节理想速度，基于所述理想速度，进行力和位置混合控制，控制所述机器人的运动。
[0032]优选地，对所述理想机器人关节运动速度进行计算为：
[0033]q
cmd
＝J
‑1ν
d
[0034]其中，J为雅各比矩阵，ν
d
为机器人末端理想速度。
[0035]本专利技术的有益效果为：
[0036]本专利技术的按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法，通过在线二维路径规划可以在三维空间中生成理想机器人运动轨迹，并且在点云中可视化，同时基于点云的最近点迭代算法进行的无标记人体背部动态跟踪，保证了机器人在按摩时人体的潜在移动。此外，依赖基于位置的视觉伺服控制算法和基于力估计的PID力反馈调节控制器组成的外循环和内循环控制系统，在外环控制中，机器人基于视觉伺服算法控制机器人追踪3D按摩轨迹，在内环控制中，采用基于PID的力控制策略，自适应调节调节机器人末端与人体背部接触力到合理范围，能够保证机器人精确追踪轨迹的同时保持理想接触力。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1为本专利技术的一种按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法的结构示意图；
[0039]图2为本专利技术的一种按摩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法，其特征在于，包括：采集人体背部的RGB
‑
D图像，对所述RGB
‑
D图像进行二维轨迹规划，获得二维轨迹，将所述二维轨迹映射至三维空间，并进行在线交互式规划按摩轨迹，得到机器人控制的三维轨迹；在所述机器人控制三维轨迹运动的同时，采集所述人体背部的点云信息，配准所述点云信息，更新所述机器人的按摩轨迹；测量并计算所述机器人的关节扭矩，得到所述机器人末端的接触力；通过自适应控制所述按摩轨迹和调整所述接触力进行力和位置混合控制,控制所述机器人的运动。2.根据权利要求1所述的按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法，其特征在于，得到所述机器人控制的三维轨迹包括：在所述二维轨迹中提取所述二维轨迹的像素点，并结合点云数据映射至三维空间进行在线交互式规划按摩轨迹，得到空间三维轨迹；对所述空间三维轨迹进行拟合，得到机器人控制的三维轨迹。3.根据权利要求2所述的按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法，其特征在于，映射至三维空间进行在线交互式规划按摩轨迹的方法为：其中，c
x
,c
y
分别为深度图像的中心坐标，f为深度相机焦距，u,v为记录的2D轨迹中的某一像素坐标点，z
c
为该像素坐标点的深度信息，x
w
,y
w
和z
w
分别为世界坐标系下的坐标，d
x
,d
y
分别为实际像素大小。4.根据权利要求1所述的按摩机器人的交互式路径规划及运动控制方法，其特征在于，更新所述机器人的按摩轨迹包括：通过配准所述点云数据，得到齐次变化矩阵，计算所述齐次变化矩阵，得到人体背部的平移信息和人体背部的旋转信息，判断所述平移信息和所述旋转信息是否超出预设阈值，若超出预设阈值，则视为所述人体背部发生运动，并基于所述齐次变化矩阵更新所述机器人的按摩轨迹，若未超出预设阈值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓震，徐秦领，何炳蔚，李卓然，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：