[發明專利]面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法及系統

有效

• 申請號: 202011119646.3
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112247962B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 李智軍;高洪波;畢偉
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/16
• 代理公司: 上海段和段律師事務所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

1.一種面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：在任務進行時利用末端手柄交互力傳感器，實時記錄使用者在運動時上肢的端點力數據，建立使用者和上肢穿戴機器人各個基本任務的能力矩陣和任務匹配矩陣，每一個基本任務都根據人和上肢穿戴機器人的能力矩陣和任務匹配矩陣進行任務分配；

步驟S2：將任務分配的結果輸入基于博弈論的人機零和游戲數學模型中，計算出機器人的最佳剛度值；

步驟S3：將機器人剛度值和實時端點力輸入機器人阻抗模型，計算出機器人末端在笛卡爾空間的參考軌跡；

步驟S4：將笛卡爾空間的參考軌跡通過機器人逆運動學計算出在關節空間的參考軌跡，建立機器人的動力學模型，并確定模型參數，建立李雅普諾夫方程，推導得到自適應控制器和自適應率。

2.根據權利要求1所述的一種面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法，其特征在于，所述步驟S1：

使用者和機器人共同完成的任何復雜或多進程任務都分解為多個簡單的基本任務Υ＝{Υ₁,Υ₂,…,Υ_n}，Υ₁,Υ₂,…,Υ_n為分解成的n個基本任務，一個任務是由一個四元組組合而成任務匹配矩陣Υ_i＝(W_i,S_i,N_i)，S_i為某項基本任務的狀態，N_i代表人或者機器人的能力矩陣，W_i代表能力需求向量；

人或機器人為完成某項基本任務而進行的任務合作或者競爭行為，這些行為是基于人和機器人單獨成功執行該任務所需的能力矩陣N_i和任務匹配矩陣Φ_i；

一個基本任務分解為：

所以復雜任務表示為：

通過上述方法可以將任務分解為簡單的基本任務，通過下面的任務匹配矩陣對單個基本任務進行分配：

任務匹配矩陣反映了機器人或人對每個基本任務的適合程度，人或機器人對于某項基本任務的匹配是基于人的運動意圖，任務匹配矩陣Φ_i定義為：

其中，ω_i為輔助矩陣Θ的第i個元素；

輔助矩陣Θ被定義為：

其中，

H_i為任務匹配度向量，∏表示加權矩陣；

由于人具有較強的認知能力和決策能力，所以當任務中有許多復雜的需要決定的情況時，人是最適合領導任務的，通過末端手柄交互力傳感器測量人對機器人的末端力來衡量人對某基本任務的匹配度，當人放松，末端力減少，人對基本任務的匹配度降低，該任務分配給機器人領導；當人施加較大的末端力，人對基本任務的匹配度提高，該基本任務分配給人來領導。

3.根據權利要求1所述的一種面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法，其特征在于，所述在步驟S2：

某基本任務分配給人來領導時：

首先將機器人阻抗模型轉為狀態方程

在機器人阻抗模型中：M_d為機器人慣性矩陣，C_d為機器人阻尼矩陣，為參考加速度，為參考速度，u為機器人剛度，f為末端作用力，表示機器人的末端狀態；

在狀態方程中：

建立人的控制目標和機器人的控制目標其中，Γ_h表示人的控制目標，Γ_r表示機器人的控制目標，ξ為狀態量，Q為權重矩陣，R₁為機器人權重，R₂為人權重；

根據黎卡提方程計算出最佳力f^*和機器人最佳剛度u^*。