[發明專利]一種基于離散控制障礙函數的人機協作控制方法

在審

• 申請號: 202211323281.5
• 申請日: 2022-10-27
• 公開（公告）號: CN115685755A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 朱禹帆;樸鐘宇;陳思魯
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 周紅芳

本發明公開了一種基于離散控制障礙函數的人機協作控制方法，具體操作過程為采集人體骨架關節點數據：通過深度相機采集人體運動數據并提取骨骼關鍵點或動作捕捉系統采集骨骼關鍵點，將人體各部分表示為由骨骼點連接的剛性線段；遞推最小二乘法在線預測人體關節軌跡與不確定度；判定最近點和最小距離；預測最近點的軌跡和不確定度；構建帶有預測軌跡和不確定度的最小距離的安全約束；通過優化求出與原始控制輸入最接近的控制率，控制機器人運動，而后繼續讀取機器人關節位置，重新采集人體骨架關節點位置，重復預測得到最終控制公式。本發明基于人機空間位置的最近點軌跡預測與不確定度預測方法，幫助準確定義未來時刻的人機最小距離。

技術領域

本發明屬于共融機器人技術領域，具體涉及一種基于離散控制障礙函數的人機協作控制方法。

背景技術

在過去的50年里，工業機器人被廣泛應用于制造業，代替人類完成各種重復且不利于健康的工作，但工業機器人的廣泛應用帶來了全新的風險，即事故發生的幾率上升，這種風險威脅著人類的人身安全。為了防止事故的發生，工業界規定將工業機器人關進“籠子”中，將機器人和人類完全分隔開來，只有在機器人不處于自動操作狀態時，授權人員才能進入機器人工作空間，來完成人工操作。這種模式嚴重影響了作業的生產效率，且占用過多的場地資源，不利于自動化生產線的配置。而且，這種分隔區域的模式，并不能完全保證公認的安全，更加嚴重的安全生產事故還是有可能發生，且對人體造成不可逆轉的傷害，風險極大。近年來，新一代傳感技術的突破和信息技術的發展，越來越多的新型傳感器和數據分析方式出現了。這些技術在機器人上的應用使得工業機器人執行任務的限制變小，機器人出現了更多的合作方式。在人機交互場景下，人體作為機械臂執行任務中的動態障礙物，對機械臂的實時避障提出了新要求，為了確保人機共存環境下人的安全性和機器人的作業效率，協作機器人的實時安全控制顯得尤為重要。

發明內容

為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種基于離散控制障礙函數的人機協作控制方法。

為達到上述目的，提出以下技術方案：

一種基于離散控制障礙函數的人機協作控制方法，包括如下步驟：

1)采集人體骨架關節點數據：通過深度相機采集人體運動數據并提取骨骼關鍵點或動作捕捉系統采集骨骼關鍵點，將人體各部分表示為由骨骼點連接的剛性線段；

2)離線訓練，遞推最小二乘法在線預測步驟1)中的人體關節軌跡與不確定度；

3)根據經過步驟2)的人體關節點預測數據和讀取的機器人關節位置判定最近點和最小距離；

4)預測步驟3)的最近點的軌跡和不確定度；

5)構建帶有預測軌跡和不確定度的最小距離的安全約束；

6)通過優化求出與原始控制輸入最接近的控制率，控制機器人運動，而后繼續讀取機器人關節位置，重新采集人體骨架關節點位置，重復步驟3)到步驟6)。

進一步地，步驟2)離線訓練的具體操作過程為，假設模型為H_(k+1|k)＝f*(H_(k))+ω_k其中，k表示時刻，ω_k表示噪聲，是未來M時刻的預測軌跡，是過去N時刻的記錄軌跡，N大于等于M，就代表了這個預測模型，使用ReLU激活函數的l層BP神經網絡對其進行訓練，當該模型得到充分訓練后，即得到軌跡預測模型：

f^*(H_k)＝Wmax(g(U,s_k))+ò(s_k) (1)

其中，是輸入向量，g表示前l-1層的結果，其權重保存在U中，表示輸出層的權重，l_h是隱藏層神經元數量，是函數的重構誤差，當該網絡被完全訓練后，其無限趨于0，該運動模型的前l-1層權重將會被固定，同時，其輸出層權重將會在線調整。