[发明专利]基于柔性机械臂的人机交互自适应控制方法和系统

说明书

本发明提供了一种基于柔性机械臂的人机交互自适应控制方法和系统，包括：通过柔性机械臂的连杆位置、刚度矩阵、滑模向量、动力学回归矩阵、物理参数、正定对角矩阵、对连杆施加的作用力和已知的权重函数，计算出伺服电机的期望转角；通过伺服电机的当前转角、期望转角、伺服电机的期望估计速度、连杆位置、刚度矩阵、正定矩阵、伺服电机的滑模向量、惯性矩阵、动力学回归矩阵和物理参数，计算出伺服电机的输出转矩；伺服电机输出转矩使得机械臂到达新的位置。本发明根据人对柔性机械臂的作用力不断调节伺服电机的当前转角与转矩，使机械臂到达期望位置的同时避免对人的伤害，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，具体地，涉及一种基于柔性机械臂的人机交互自适应控制方法和系统。

背景技术

传统机械臂往往使用刚性连接，在与人的交互中，针对人类输入的突然变化难以迅速反应，并且由于其机械结构与运动轨迹的刚性特点，很容易对人类造成伤害。因此，柔性机械臂应运而生。然而，柔性机械臂控制方法的研究还不太成熟，因而也阻碍了柔性机械臂的应用。

随着机器人技术的发展，越来越多的机器人进入了工业、医疗、教育、娱乐等领域，以自动或者辅助人类完成不同种类的任务。在辅助装配、康复训练、教学示范、互动娱乐等场景下，人与机器人或多或少需要进行接触型的互动。传统机械臂往往使用刚性连接，在与人的交互中，针对人类输入的突然变化难以迅速反应，并且由于其机械结构与运动轨迹的刚性特点，很容易对人类造成伤害。因此，柔性机械臂应运而生。

然而，实际使用中，对柔性机械臂控制方法的研究还不太成熟，因此也阻碍了使用柔性机械臂的机器人的应用。因此，研发柔性机械臂的人机交互自适应控制方法，解决柔性机械臂的人机交互自适应控制问题，具有重要的社会意义和广阔的市场前景。

专利文献CN108427324A(申请号：CN201810324657.1)公开了一种柔性机械臂控制仿真平台及其工作方法，所述的仿真平台包括柔性机械臂数学模型、仿真平台主界面、控制方案选择及实现模块、期望轨迹设置模块、控制参数设置模块和参数状态显示模块，利用构建图形化界面的GUI语言，设计仿真平台的人机交互界面，与基于Simulink的控制仿真系统建立了数据交互通道。使用者在人机交互界面上输入仿真平台的各个控制参数及模型参数，通过点击各个功能按钮，实现参数设置、数学仿真运行及仿真图像显示。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于柔性机械臂的人机交互自适应控制方法和系统。

根据本发明提供的基于柔性机械臂的人机交互自适应控制方法，包括：

步骤1：通过柔性机械臂的连杆位置、刚度矩阵、滑模向量、动力学回归矩阵、物理参数、正定对角矩阵、对连杆施加的作用力和已知的权重函数，计算出伺服电机的期望转角；

步骤2：通过伺服电机的当前转角、期望转角、伺服电机的期望估计速度、连杆位置、刚度矩阵、正定矩阵、伺服电机的滑模向量、惯性矩阵、动力学回归矩阵和物理参数，计算出伺服电机的输出转矩；

步骤3：伺服电机输出转矩，使得机械臂到达新的位置，返回步骤1继续执行，对机械臂进行人机交互的自适应控制。

优选的，柔性机械臂包括伺服电机、滚珠螺杆、弹簧、线性位置传感器、传动带和连杆；

所述滚珠螺杆由伺服电机驱动，所述连杆由传动带带动；

所述传动带通过弹簧连接到滚珠螺杆的螺母上，传送带在弹簧上的连接点并联线性位置传感器的滑块，对连杆施加作用力，迫使连杆带动传动带运动，由弹簧的缓冲作用与伺服电机的转矩调整，实现柔性输出。

优选的，所述伺服电机输出转角和转矩，带动滚珠螺杆旋转，并由滚珠螺杆的螺母转换为线性运动；

所述线性位置传感器，通过测量滑块的位置，进而获得对外输出实际机器人轨迹、转矩和人的作用力。