一种具有零空间避障能力的基于阻抗控制的人机协同方法技术

一种具有零空间避障能力的基于阻抗控制的人机协同方法，包括：(1)指数坐标六自由度阻抗控制，(2)阻抗控制模型应用于人机协同的安全控制方法及(3)零空间避障。通过阻抗控制的弹簧

【技术实现步骤摘要】
一种具有零空间避障能力的基于阻抗控制的人机协同方法


[0001]本专利技术涉及人机协同机器人
，尤其涉及一种具有零空间避障能力的基于虚拟六维弹簧的人机协同方法。

技术介绍

[0002]机器人辅助或代替人进行复杂操作已成为重要趋势。如骨科手术机器人因其高精度的定位和稳定性，在创伤骨科、关节、脊柱和颌面外科都有广泛的应用，但机器人辅助骨科安全操作仍是骨科机器人技术不断追求的目标。又如工业装配机器人代替工人进行重复沉重的装配工作，但目前其应用仅限于纯机械环境，且由于仅由位置控制而无法实现对于加工误差的适应性(如拧螺丝的过程)。因此在人机协同交互过程中，若机器人只具备位置运动能力，而无相关接触力信息，则无法保障交互中操作人员和患者的安全性。将力信息融入机器人控制系统，实现机器人柔顺控制成为重要的研究方向。
[0003]柔顺控制分为被动柔顺控制与主动柔顺控制，从控制效果上看好像有一个弹簧连接在机器人末端和与其交互的物体上，从而调控机器人和环境的交互作用力。被动柔顺控制指通过改变机构的弹性(如在末端加入弹簧等)方式实现柔顺；而主动柔顺指通过控制策略实现机器人对力的主动响应，虚拟出一个弹簧
‑
质点
‑
阻尼的效果。被动柔顺方式难以实现精确控制，并不适用于位置较高要求的机器人(例如骨科机器人)的控制。关于主动柔顺控制，主要包括导纳控制、阻抗控制和力位混合控制。其中阻抗控制更适用于与刚性环境接触的情况，因此本专利技术采用六自由度阻抗控制技术，通过虚拟出参数可调的六维弹簧，实现人机协同控制方法。通过引入机器人零空间避障技术，提高人机协同操作的临床适用性和安全性。

技术实现思路

[0004]本专利技术首先进行了指数坐标的六自由度阻抗控制模型建立，这种模型能够应用于机器人(例如，骨科机器人)人机交互过程中的安全领域，提出了一种基于阻抗控制的人机协同方法，通过引入零空间避障研究，进一步提高机器人人机协同的适应性。即通过阻抗控制的弹簧
‑
阻尼
‑
刚度模型构建机器人运动过程中位置与力的相对关系，实现人手对于机械臂的拖动效果和虚拟约束效果。同时通过实时感知安全作用力，以避免在协同操作时由于惯性过大导致损伤。通过对七自由度机械臂零空间避障控制的研究，使机械臂可在末端位姿不变的情况下随人的作用力改变其空间构型，避免与周围操作人员发生干涉，以提高机器人对环境的适应性。
[0005]本专利技术的目的在于提供一种具有零空间避障能力的基于阻抗控制的人机协同方法，所述具有零空间避障能力的基于阻抗控制的人机协同方法包括：(1)指数坐标六自由度阻抗控制，(2)阻抗控制模型应用于人机协同的安全控制方法及(3)零空间避障。
[0006]根据本专利技术的一种实施方式，例如，(1)指数坐标六自由度阻抗控制包括：
[0007]阻抗控制是输入位置输出力的控制系统，通过阻抗控制器将机器人实际位姿X与
规划位姿X
d
的差值X
e
转换为机器人控制力矩τ
imp
，与环境作用力τ
en
相加得机器人控制外部力矩τ
ext
，作用于机器人以控制其运动；
[0008]其中六自由度阻抗控制模型为质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型；
[0009]质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型公式表示为：
[0010][0011]其中，X
e
为实际位姿与规划位姿之差；对于六自由度阻抗控制，将位置和姿态解耦讨论，以旋转矩阵R
d
,R分别代表规划姿态和实际姿态，t
d
,t分别代表规划位置和实际位置，其中R,t由机械臂的正运动学求得；由于外力的存在使得规划位姿与实际位姿存在目标差值即r
e
,p
e
；
[0012]解耦后的六自由度阻抗控制公式为：
[0013][0014][0015]其中M
r
,B
r
,K
r
,M
p
,B
p
,K
p
为相应控制参数，F
r
,F
p
为与r
e
,p
e
相同坐标系下的阻抗控制输出力矩和力，分别由角度误差和位置误差产生；
[0016]选用指数坐标定义r
e
,p
e
，即：
[0017][0018]p
e
＝R
d
‑1(t
‑
t
d
)
[0019]其中e
[
·
]代表矩阵的指数运算，r
e
,p
e
均定义在规划坐标系{T
d
}下；等式两边求导得一阶时间导数与
[0020][0021][0022]如图3所示，ω,ω
d
,v,v
d
分别表示当前末端角速度，规划角速度，线速度及规划线速度在空间坐标系{s}下的表达；A(
·
)为计算符，计算公式为：
[0023][0024]且[
·
]表示斜对称矩阵，p1表示向量p中第一个元素，以此类推；
[0025][0026]机器人的动力学方程，即
[0027][0028]其中q为机器人关节角，M(q)为惯性矩阵，为科氏力/向心力矩阵，g(q)为重力力矩，τ
ext
为外部施加力矩；
[0029]当选取上述指数坐标定义误差量时，将关节空间动力学方程转换到误差空间，定义误差：
[0030][0031]由求导链式法则得X
e
(q,t)对时间的一阶及二阶导数为：
[0032][0033][0034]定义
[0035][0036][0037]为随体坐标系{b}的雅克比矩阵；
[0038]将上式代入关节动力学可得
[0039][0040]其中
[0041]Λ(q,t)＝M(q)J
x
(q,t)
‑1[0042][0043]根据阻抗控制公式可得外力F
ext
[0044][0045]代入求得阻抗控制机器人所需力矩τ
imp
；至此即完成六自由度指数坐标阻抗控制的控制逻辑推导。
[0046]根据本专利技术的一种实施方式，例如，(2)人机协同截断的安全控制方法包括：
[0047]通过阻抗控制构建作用力与机器人位置间的相对关系，实现人与机器人的协同交互，即选取合适参数的情况下机器人将随人的作用力进行移动，以实现人机协同的过程；
[0048]除实现人机协同拖动功能外，在切削截断过程中，为防止操作人员截至下端点时由于突然截断惯性过大导致非必要损伤，选定一个安全位置为阻抗零点，通过上述阻抗控制实现质量...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有零空间避障能力的基于阻抗控制的人机协同方法，其特征在于，所述具有零空间避障能力的基于阻抗控制的人机协同方法包括：(1)指数坐标六自由度阻抗控制，(2)阻抗控制模型应用于人机协同的安全控制方法及(3)零空间避障。2.根据权利要求1所述的具有零空间避障能力的基于阻抗控制的人机协同方法，其特征在于，(1)指数坐标六自由度阻抗控制包括：阻抗控制是输入位置输出力的控制系统，通过阻抗控制器将机器人实际位姿X与规划位姿X
d
的差值X
e
转换为机器人控制力矩τ
imp
，与环境作用力τ
en
相加得机器人控制外部力矩τ
ext
，作用于机器人以控制其运动；其中六自由度阻抗控制模型为质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型；质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型公式表示为：其中，X
e
为实际位姿与规划位姿之差；对于六自由度阻抗控制，将位置和姿态解耦讨论，以旋转矩阵R
d
,R分别代表规划姿态和实际姿态，t
d
,t分别代表规划位置和实际位置，其中R,t由机械臂的正运动学求得；由于外力的存在使得规划位姿与实际位姿存在目标差值即r
e
,p
e
；解耦后的六自由度阻抗控制公式为：解耦后的六自由度阻抗控制公式为：其中M
r
,B
r
,K
r
,M
p
,B
p
,K
p
为相应控制参数，F
r
,F
p
为与r
e
,p
e
相同坐标系下的阻抗控制输出力矩和力，分别由角度误差和位置误差产生；选用指数坐标定义r
e
,p
e
，即：p
e
＝R
d
‑1(t
‑
t
d
)其中e
[
·
]
代表矩阵的指数运算，r
e
,p
e
均定义在规划坐标系{T
d
}下；等式两边求导得一阶时间导数与与与如图3所示，ω,ω
d
,v,v
d
分别表示当前末端角速度，规划角速度，线速度及规划线速度在空间坐标系{s}下的表达；A(
·
)为计算符，计算公式为：且[]表示斜对称矩阵，p1表示向量p中第一个元素，以此类推；机器人的动力学方程，即

【专利技术属性】
技术研发人员：王君臣，卢春姮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：