[发明专利]一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法

权利要求书

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，根据实时的检测值结合变导纳策略保证接触稳定，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；

当前的虚拟环境位置为：

其中，为虚拟环境位置，为当前的名义环境位置，x₀为机械臂末端的初始位置；

S3、通过比较当前的机械臂末端位置x和当前的虚拟环境位置x_e，来判断此时为人机交互还是耦合交互；

若当前的机械臂末端位置x小于当前的虚拟环境位置x_e，则此时为人机交互，变导纳策略为CaseA；

若当前的机械臂末端位置x大于等于当前的虚拟环境位置x_e，则此时为耦合交互，变导纳策略为CaseB。