一种机器人交互控制方法、设备及介质技术

本发明专利技术涉及机器人控制领域，尤其涉及一种机器人交互控制方法、设备及介质，所述方法首先根据当前机器人关节位置，以雅可比矩阵条件数倒数为奇异构型评价指标，所述指标能同时描述机器人的运动奇异及力奇异，根据奇异构型评价指标计算回避虚拟作用力，最后根据所选择的交互空间、交互控制方式结合阻抗控制方程确定交互控制的控制量。本发明专利技术解决了人机交互过程中机器人接近运动奇异、力奇异构型附近造成机器人关节速度过快、外部扰动导致控制不稳定等问题，所生成的虚拟作用力能有效地回避奇异构型，交互过程平稳，交互控制算法适用于多种机器人交互控制场景。器人交互控制场景。器人交互控制场景。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人交互控制方法、设备及介质


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，尤其涉及一种机器人交互控制方法、设备及介质。

技术介绍

[0002]物理人机交互(physical human
‑
robot interaction,pHRI)研究人与机器人之间实际接触和相互作用，旨在实现人与机器人之间的自然、安全和高效的交互，使机器人能够与人类共同工作、合作和共存。相较于传统工业机器人需通过特定的示教设备、操作人员需专业培训才能操作机器人，物理人机交互技术使得操作者能过通过力觉与机器人直接自然地交互，该技术在人机协作、医疗康复等领域得到广泛应用。因机器人需与人类共享作业空间，如何采用合适的控制方法保证交互过程中的安全性、稳定性、流畅性显得至关重要。对于物理人机交互控制，目前已有的控制方法主要包括阻抗控制及导纳控制，这两种交互控制方法通过建立交互力和交互位置之间的动态关系，使得机器人具有一定的柔顺性，实现与人类用户的协调运动。在阻抗控制及导纳控制这两种交互控制的基础上，结合学习、自适应、神经网络等技术以应对机器人动力学、人机交互过程中的不确定性及时变性，从而提高人机交互的性能
[1]。
[0003]机器人的运动奇异是机器人研究中不可忽视的问题，尽管该问题在传统工业机器人中已经得到一定的重视，并有如阻尼最小二乘法等应对方法，然而在人机交互过程中的奇异构型的问题仍未得到认真对待，特别是力奇异问题。以运动奇异为例，当前机器人接近运动奇异构型，机器人将失去某一方向的运动能力。对于非专业人员而言，其无法认识到运动奇异的问题，仍希望机器人按自己的意愿继续运动，这将导致机器人某些关节速度过快，导致控制困难、运动不稳定。以应用人机交互技术的康复机器人为例，运动奇异问题使得机器人关节速度运动过快、运动不稳定，引起康复者身心不适，快速运动的机械臂甚至对康复者造成物理伤害，如牵拉损伤、人机碰撞。此外对于交互中的机器人，力奇异同样也是不可忽视的问题，当机器人运行到力奇异构型时，较小的外部作用力将在关节空间产生极大的关节等效力矩，引起机器人控制不稳定，如康复机器人接近力奇异构型，机器人电机将受到过大的外部力矩作用，控制性能恶化而发生抖动，这对于康复者而言是难以接受的。在机器人学研究中，力奇异与运动奇异通常是两个互斥的控制目标：在运动灵活的方向上，能施加的作用力受限，此时无需考虑运动奇异，而力奇异问题需引起重视；而在运动受限的方向，则能承受较大的作用力，此时机器人出现运动奇异问题，而力奇异则无关紧要
[2]。因此，在设计面向人机交互的机器人运动规划、交互控制算法时，需同时考虑运动、力的奇异问题，而不能简单地仅考虑评价运动奇异的单一指标，否则将出现按下葫芦浮起瓢的情况：机器人不会出现运动奇异但遇到力奇异问题！然而在人机交互控制中综合考虑运动奇异、力奇异这两个本质互斥的问题，实现奇异构型衡量指标的统一性，是目前人机交互、人机协作研究中仍未解决的问题
[2]。
[0004]在已有针对物理人机交互控制的研究中，仅有针对运动奇异问题的讨论及分析。
surgery suture plans to avoid joint limits and singularities[C]//2019International Symposium on Medical Robotics(ISMR).IEEE,2019:1
‑
7.
[0013][6]Zargarbashi S H H,Khan W,Angeles J.The Jacobian condition number as a dexterity index in 6R machining robots[J].Robotics and Computer
‑
Integrated Manufacturing,2012,28(6):694
‑
699.

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是为了提供一种机器人交互控制方法与系统，产生虚拟作用力以应对奇异构型，交互过程平稳，适用于更多的交互控制场合，提高人机交互的流畅性、稳定性。
[0015]为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：
[0016]第一方面，提供一种机器人交互控制方法，包括：
[0017]获取当前机器人的关节位置；
[0018]基于当前机器人的关节位置确定机器人奇异构型评价指标；其中，所述奇异构型评价指标同时评价机器人的运动奇异及力奇异；
[0019]基于奇异构型评价指标确定回避虚拟作用力；
[0020]将回避虚拟作用力与操作者施加作用力相叠加，进而根据所选择的交互空间、交互控制方式结合机器人力交互阻抗模型确定交互控制的控制量，即机器人的控制速度或控制力矩。
[0021]进一步地，基于当前机器人的关节位置确定机器人的奇异构型评价指标的步骤包括：
[0022]基于当前机器人关节位置q，根据雅可比矩阵计算函数计算出当前位置下的雅可比矩阵J(q)；
[0023]根据雅可比矩阵J(q)的非零奇异值σ
i
计算奇异构型评价指标，确定以最小非零奇异值σ
min
与最大奇异值σ
max
的比值，即雅可比矩阵J(q)条件数的倒数为所述奇异构型评价指标，即γ(q)＝σ
min
(J)/σ
max
(J)。
[0024]进一步地，基于奇异构型评价指标确定奇异构型回避虚拟作用力的大小及方向的步骤包括：
[0025]判断奇异构型评价指标γ(q)与检测阈值γ
th
的大小；
[0026]若所述奇异构型评价指标γ(q)小于某一阈值γ
th
，则由障碍函数b(γ(q))依据奇异构型评价指标γ(q)设置虚拟作用力的大小k
f
，并根据奇异构型评价指标γ(q)的梯度确定虚拟力的方向d
f
；
[0027]若所述奇异构型评价指标γ(q)大于等于阈值γ
th
，虚拟作用力为0，不干扰机器人正常运动；
[0028]所述奇异构型回避虚拟作用力τ
sin
表达为：
[0029][0030]奇异构型回避虚拟作用力τ
sin
构成回避虚拟作用力。进一步地，计算奇异构型回避虚拟作用力大小k
f
的方法包括：
[0031]根据障碍函数b(γ(q))及放大系数η确定奇异构型回避虚拟作用力的大小为：
[0032]k
f
＝ηb(γ(q))
[0033]其中，障碍函数根据奇异构型评价指标γ(q)、检测阈值γ
th
和临界值γ
cr
确定；障碍函数选取为：
[0034]1)反比例型障碍函数：
[0035][0036]2)对数型障碍函数：
[0037]b(γ(q))＝
‑
(ln(γ(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人交互控制方法，其特征在于：包括获取当前机器人的关节位置；基于当前机器人的关节位置确定机器人奇异构型评价指标；其中，所述奇异构型评价指标同时评价机器人的运动奇异及力奇异；基于奇异构型评价指标确定回避虚拟作用力；将回避虚拟作用力与操作者施加作用力相叠加，进而根据所选择的交互空间、交互控制方式结合机器人力交互阻抗模型确定交互控制的控制量，即机器人的控制速度或控制力矩。2.根据权利要求1所述的机器人交互控制方法，其特征在于：基于当前机器人的关节位置确定机器人的奇异构型评价指标的步骤包括：基于当前机器人关节位置q，计算出当前位置下的雅可比矩阵J(q)；根据雅可比矩阵J(q)的非零奇异值σ
i
计算奇异构型评价指标，确定以最小非零奇异值σ
min
与最大奇异值σ
max
的比值，即雅可比矩阵J(q)条件数的倒数为所述奇异构型评价指标，即γ(q)＝σ
min
(J)/σ
max
(J)。3.根据权利要求1所述的机器人交互控制方法，其特征在于：基于奇异构型评价指标确定回避虚拟作用力的步骤包括：判断奇异构型评价指标γ(q)与检测阈值γ
th
的大小；若所述奇异构型评价指标γ(q)小于某一阈值γ
th
，则由障碍函数b(γ(q))依据奇异构型评价指标γ(q)设置虚拟作用力的大小k
f
，并根据奇异构型评价指标γ(q)的梯度确定虚拟力的方向d
f
；若所述奇异构型评价指标γ(q)大于等于阈值γ
th
，虚拟作用力为0，不干扰机器人正常运动；所述奇异构型回避虚拟作用力τ
sin
表达为：奇异构型回避虚拟作用力τ
sin
构成回避虚拟作用力。4.根据权利要求3所述的机器人交互控制方法，其特征在于：计算奇异构型回避虚拟作用力大小k
f
的方法包括：根据障碍函数b(γ(q))及放大系数η确定奇异构型回避虚拟作用力的大小为：k
f
＝ηb(γ(q))其中，障碍函数根据奇异构型评价指标γ(q)、检测阈值γ
th
和临界值γ
cr
确定；障碍函数选取为：1)反比例型障碍函数：2)对数型障碍函数：b(γ(q))＝
‑
(ln(γ(q)
‑
γ
cr
)
‑
ln(γ
th
‑
γ
cr
))5.根据权利要求3所述的机器人交互控制方法，其特征在于：计算奇异构型回避虚拟作
用力的方向d
f
的方法包括：根据奇异构型评价指标γ(q)的梯度确定奇异构型回避虚拟作用力的方向；采用解析形式的梯度计算为：其中，S表示雅可比矩阵J(q)对关节位置q的梯度，即机器人的雅可比矩阵J(q)是关于关节位置q的函数，利用微积分得到函数S的符号表达；变量T的计算方法为：其中，列向量u
m
,v
m
(m＝min,max)由雅可比矩阵J的奇异值分解得到的矩阵U、V对应的奇异列向量确定，雅可比矩阵J的奇异值分解形式为J＝UΣV
T
，Σ为包含奇异值的矩阵。6.根据权利要求1所述的机器人交互控制方法，其特征在于：确定交互控制的控制量的步骤包括：基于回避虚拟作用力τ
v
及雅可比矩阵，计算笛卡尔空间的回避虚拟作用力映射值f
v
，即基于操作者施加的外力f
h
计算在关节空间的映射值为τ
h

【专利技术属性】
技术研发人员：曹鹏飞，陈晨，李子健，
申请(专利权)人：埃斯顿南京医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：