[發(fā)明專利]面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011119646.3
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112247962B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李智軍;高洪波;畢偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 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(wù)所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

本發(fā)明提供了一種面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法及系統(tǒng)，將使用者和機器人共同完成的復(fù)雜或多進程任務(wù)分解為多個基本任務(wù)，建立人機針對各個基本任務(wù)的能力矩陣和任務(wù)匹配矩陣進行任務(wù)分配。將任務(wù)分配的結(jié)果輸入基于博弈論的人機零和或者非零和游戲數(shù)學(xué)模型中，計算機器人在人機末端匹配的最佳剛度，隨后通過機器人阻抗模型，計算出機器人末端的參考軌跡，最后通過自適應(yīng)控制器輸出控制力矩實現(xiàn)參考軌跡跟蹤。本發(fā)明的上肢穿戴機器人控制方法可以在人機合作的情景下實現(xiàn)更好的柔順控制，感知使用者的運動意圖，最小化使用者的輸入力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能機器人智能控制技術(shù)領(lǐng)域.具體地，涉及面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

上肢穿戴機器人共享控制是一個新興的研究領(lǐng)域，在機器人康復(fù)、搜索救援、遠程操作等方面有著廣泛的應(yīng)用。人與機器人具有互補的能力，在許多情況下，他們的協(xié)作是必要的。傳統(tǒng)的處理人與機器人的物理交互的方法通常涉及到機器人通過阻抗或?qū)Ъ{控制器順從人的運動，明確定位這些角色的理由是，人類擁有更好的認知能力，如態(tài)勢感知和決策技能，而機器人擁有更好的身體能力，如精確性和力量。然而，這種人為領(lǐng)導(dǎo)者，機器人為跟隨者的固定控制模式要求人始終領(lǐng)導(dǎo)任務(wù)和驅(qū)動機器人意味著讓人不斷地承受高的認知負荷，這會在長時間的操作中降低性能。因此迫切需要一種上肢穿戴機器人的智能控制方法，使得人和機器人根據(jù)人的運動意圖在領(lǐng)導(dǎo)者和追隨者之間實時進行切換來滿足更復(fù)雜控制情景的需要。

例如協(xié)同焊接，機器人能夠根據(jù)對工件、環(huán)境和過程的粗略了解，按照指定的期望軌跡自主地執(zhí)行任務(wù)，而人類可以為機器人提供任務(wù)中的糾正行動、微調(diào)控制和情景指導(dǎo)。另一個例子是避障，當(dāng)機器人感知到即將發(fā)生的碰撞或違反安全約束時，它可以很好地控制并自動修改人類的意圖動作。

專利文獻CN110652423A(申請?zhí)枺?01910968787.3)公開了一種帶有精確力控制的可穿戴式上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，包括可穿戴式腰帶、多自由度機械臂，以及控制盒；機器人通過腰帶穿戴在人的腰部，由主動執(zhí)行器驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)左、右肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展/前屈/后伸以及左、右肘關(guān)節(jié)前屈/后伸這些自由度的主被動康復(fù)訓(xùn)練。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法及系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種面向上肢穿戴機器人的人機博弈控制方法，包括以下步驟：

步驟S1：在任務(wù)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(shù)據(jù)，建立使用者和上肢穿戴機器人各個基本任務(wù)的能力矩陣和任務(wù)匹配矩陣，每一個基本任務(wù)都根據(jù)人和上肢穿戴機器人的能力矩陣和任務(wù)匹配矩陣進行任務(wù)分配；

步驟S2：將任務(wù)分配的結(jié)果輸入基于博弈論的人機零和游戲數(shù)學(xué)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(xué)計算出在關(guān)節(jié)空間的參考軌跡，建立機器人的動力學(xué)模型，并確定模型參數(shù)，建立李雅普諾夫方程，推導(dǎo)得到自適應(yīng)控制器和自適應(yīng)率。

優(yōu)選地，所述步驟S1：

使用者和機器人共同完成的任何復(fù)雜或多進程任務(wù)都分解為多個簡單的基本任務(wù)Υ＝{Υ₁,Υ₂,…,Υ_n}，Υ₁,Υ₂,…,Υ_n為分解成的n個基本任務(wù)，一個任務(wù)是由一個四元組組合而成任務(wù)匹配矩陣Υ_i＝(W_i,S_i,N_i)，S_i為某項基本任務(wù)的狀態(tài)，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；