[發(fā)明專利]一種基于離散控制障礙函數(shù)的人機(jī)協(xié)作控制方法在審
| 申請?zhí)枺?/td> | 202211323281.5 | 申請日： | 2022-10-27 |
| 公開（公告）號： | CN115685755A | 公開（公告）日： | 2023-02-03 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 朱禹帆;樸鐘宇;陳思魯 | 申請（專利權(quán)）人： | 浙江工業(yè)大學(xué) |
| 主分類號： | G05B13/04 | 分類號： | G05B13/04 |
| 代理公司： | 杭州浙科專利事務(wù)所(普通合伙) 33213 | 代理人： | 周紅芳 |
| 地址： | 310006 浙江省*** | 國省代碼： | 浙江;33 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 基于 離散 控制 障礙 函數(shù) 人機(jī) 協(xié)作 方法 | ||
1.一種基于離散控制障礙函數(shù)的人機(jī)協(xié)作控制方法，其特征在于包括如下步驟：
1)采集人體骨架關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)：通過深度相機(jī)采集人體運動數(shù)據(jù)并提取骨骼關(guān)鍵點或動作捕捉系統(tǒng)采集骨骼關(guān)鍵點，將人體各部分表示為由骨骼點連接的剛性線段；
2)離線訓(xùn)練，遞推最小二乘法在線預(yù)測步驟1)中的人體關(guān)節(jié)軌跡與不確定度；
3)根據(jù)經(jīng)過步驟2)的人體關(guān)節(jié)點預(yù)測數(shù)據(jù)和讀取的機(jī)器人關(guān)節(jié)位置判定最近點和最小距離；
4)預(yù)測步驟3)的最近點的軌跡和不確定度；
5)構(gòu)建帶有預(yù)測軌跡和不確定度的最小距離的安全約束；
6)通過優(yōu)化求出與原始控制輸入最接近的控制率，控制機(jī)器人運動，而后繼續(xù)讀取機(jī)器人關(guān)節(jié)位置，重新采集人體骨架關(guān)節(jié)點位置，重復(fù)步驟3)到步驟6)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于離散控制障礙函數(shù)的人機(jī)協(xié)作控制方法，其特征在于步驟2)離線訓(xùn)練的具體操作過程為，假設(shè)模型為H(k+1|k)＝f*(H(k))+ωk其中，k表示時刻，ωk表示噪聲，是未來M時刻的預(yù)測軌跡，是過去N時刻的記錄軌跡，N大于等于M，就代表了這個預(yù)測模型，使用ReLU激活函數(shù)的l層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)該模型得到充分訓(xùn)練后，即得到軌跡預(yù)測模型：
f*(Hk)＝Wmax(g(U,sk))+ò(sk) (1)
其中，是輸入向量，g表示前l(fā)-1層的結(jié)果，其權(quán)重保存在U中，表示輸出層的權(quán)重，lh是隱藏層神經(jīng)元數(shù)量，是函數(shù)的重構(gòu)誤差，當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)被完全訓(xùn)練后，其無限趨于0，該運動模型的前l(fā)-1層權(quán)重將會被固定，同時，其輸出層權(quán)重將會在線調(diào)整。
3.如權(quán)利要求2所述的基于離散控制障礙函數(shù)的人機(jī)協(xié)作控制方法，其特征在于步驟2)中預(yù)測軌跡及其不確定度，具體操作過程為當(dāng)模型離線訓(xùn)練完成以后，非線性的人體運動模型轉(zhuǎn)化為參數(shù)線性化的形式：即
H(k+1|k)＝φkθk+ωk (2)
其中是一個由輸出層權(quán)重與偏差組成的參數(shù)向量，除了最后一層外前面所有網(wǎng)絡(luò)的輸出，
通過公式(2)，得到對未來M時刻的軌跡估計值
以及未來M時刻的軌跡誤差值
當(dāng)經(jīng)過預(yù)測點后，通過預(yù)測值與記錄值的差值，可以得到預(yù)測的實際誤差
通過這個誤差，更新預(yù)測模型的參數(shù)
其中的協(xié)方差矩陣由下列公式更新
其中是公式(2)中φk的向量形式，λ1和λ2是遺忘因子，設(shè)定為正常數(shù)，
將公式(4)反向應(yīng)用，得到k-M時刻的實際估計誤差
其中是φk-M的偽逆，通過公式(6)同樣的方法，更新M次即得到k+1時刻的參數(shù)誤差
通過這種方法，得到預(yù)測軌跡的不確定度：
其中Var(ωk)表示噪聲方差。
4.如權(quán)利要求1所述的基于離散控制障礙函數(shù)的人機(jī)協(xié)作控制方法，其特征在于步驟3)的具體操作過程為：將串聯(lián)型協(xié)作機(jī)器人表示為空間中的剛性線段連接，定義P點表示串聯(lián)機(jī)器人的關(guān)節(jié)點，定義和分別為機(jī)器人第i根連桿與人體第j部分之間的最近點，和分別為兩部分所在直線相互之間的最近點，
人機(jī)各部分的最小距離實質(zhì)上取決于和和是否一致，該條件由下列公式定義
其中通過相同的方法，定義出如果最近點是在剛性線段上的，那么否則，和則分別是剛性線段上距離其比較近的一個端點，
當(dāng)和得到準(zhǔn)確定義后，人機(jī)之間的在k時刻的最小距離可以被定義為
其中m和n分別為機(jī)器人連桿的數(shù)量和人體肢體的數(shù)量，由此，人機(jī)交互中的安全問題隨即被轉(zhuǎn)換為如何保證最短距離始終大于預(yù)設(shè)安全距離Dmin的問題。
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