[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

说明书

本发明公开了一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法，本发明控制方法包括以下步骤：采集操作力通过导纳控制计算机器人期望位置实现拖动示教功能；操作者带动机器人与环境第一次接触利用稳定检测器调整导纳参数恢复稳定，再通过环境估计模块计算名义环境位置和虚拟环境位置；操作者再次与当前环境交互时通过比较当前位置和虚拟环境位置，选择变导纳策略来调整导纳参数以保证稳定安全的交互；由此，通过稳定检测器和环境估计模块进行变导纳控制保证了人、环境和机器人耦合交互的稳定性和安全性。

技术领域

本发明属于人机交互相关技术领域，具体涉及一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人从传统围栏里工作到与人协作，与人类的距离越来越近。机器人与环境或人的物理交互控制在康复、救援、医疗手术和多机器人合作等技术领域越来越重要。在这些交互过程中，机器人与环境或与人进行物理接触必须保证交互的稳定和安全。如果不保证交互接触时的稳定性，机器人与环境或与人之间的大冲击力或连续振荡力会对机器人和环境或人造成危害。

导纳方法被广泛应用于机械臂的柔顺控制中，因为导致控制器是一个二阶质量-弹簧-阻尼系统，能将传感器测量的外部作用力/力矩与机械臂末端执行器的位置关联起来。导纳参数的适当选择也是非常重要的，因为它影响着机器人与外界环境交互的稳定性，例如，低导纳时机器人有较好的跟随能力，但外界阻抗突变时又容易出现不稳定，而高导纳时跟随能力就会变差，增加交互的工作量。

针对于机器人安全、稳定交互的稳定，现有的技术要么只适用与人机交互场景，要么只适用于环境交互场景。传统的人机交互场景中都尽量将导纳参数设置在较小值以保证操作舒适性，环境交互中则是保持导纳参数在一个较高的固定值以防止交互过程中出现不稳定的抖动。但在复杂多变的场景中，往往需要人类带动机器人与环境进行耦合交互。

发明内容

本发明要解决的是现有技术中不能保证人、环境和机器人耦合交互的稳定性和安全性的技术问题，提出了一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统及方法，以保证操作者能够带动机器人与环境安全稳定的交互。

为实现所述发明的目的，本发明采用的技术方案包括：

一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，该系统主要由稳定观测系统，环境估计系统，变导纳控制系统和机器人位置控制系统四部分组成。

稳定观测系统主要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。因为操作者正常拖动情况下的频率在2Hz内，所以将2Hz以上的频率视为高频，2Hz以下的频率视为低频。将高频力信号与低频力信号的范数之比做为检测值，2Hz对应的稳态值设定为稳定阈值ε，当超过该稳定阈值ε时则视为当前交互不稳定，反正则稳定。

环境估计系统主要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。

变导纳控制系统主要用于保证机器人能够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，采用CaseA调整策略，导纳参数能够保持在最小值使操作者拖动更加柔顺和舒适；操作者带着机器人与环境耦合交互后，采用CaseB调整策略，导纳参数能做出相应调整以保证耦合交互的稳定性和安全性。

机器人位置控制系统主要用于采集变导纳控制系统传来的期望笛卡尔位置，期望笛卡尔位置通过逆运动学计算出关节位置，关节位置经过关节位置控制器输出关节力矩驱动机器人运动。

一种人、环境和机器人耦合交互的变导纳控制系统，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；