[發明專利]一種移動機械臂人機共享控制方法和系統

在審

• 申請號: 202310326739.0
• 申請日: 2023-03-30
• 公開（公告）號: CN116330288A
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 姚震球;周興奇;郭浩
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 趙彥

1.一種移動機械臂人機共享控制系統，其特征在于：包括上位機遙操作系統和下位機控制系統；

上位機遙操作系統包括主工控機、與工控機電連接的機械臂主手以及共享控制器；下位機控制系統包括嵌入式工控機、機械臂從手；

所述機械臂從手設有傳感器和3D相機，所述傳感器采集第一狀態信息并反饋給嵌入式工控機中的關節變化輸出模塊進行處理，所述關節變化輸出模塊輸出機械臂從手的關節變化量，所述第一狀態信息包括機械臂從手的末端執行器的自由度狀態量；所述3D相機用于采集圖像信息；

所述嵌入式工控機將所述關節變化量和圖像信息傳輸至所述主工控機，所述主工控機處理圖像信息得到機械臂從手與目標物間的距離；所述主工控機中的模糊控制器依據第二狀態信息和模糊控制規則輸出共享控制系數，并發送至共享控制器；所述第二狀態信息包括機械臂從手的關節變化量和機械臂從手與目標物間的距離；

所述工控機向共享控制器發送主從控制指令；所述嵌入式工控機向共享控制器發送自主控制指令；所述共享控制器輸出共享控制指令，并發送至機械臂從手，控制機械臂從手移動；

所述工控機設有人機交互界面。

2.根據權利要求1所述的移動機械臂人機共享控制系統，其特征在于：該系統還包括移動平臺，所述移動平臺用于搭載機械臂從手，帶動機械臂從手到達相應的位置。

3.根據權利要求1所述的移動機械臂人機共享控制系統，其特征在于：所述共享控制器輸出共享控制指令，所述共享控制指令S_c為：

S_c(η)＝(I_o-I_A)η+I_A

其中I_o為主從控制指令，I_A為機器人自主控制指令，η為共享控制系數。

4.根據權利要求1所述的移動機械臂人機共享控制系統，其特征在于：所述機械臂主手和機械臂從手采用主從同構配置，針對主從同構機械臂采用基于關節空間映射控制的方式，將主端控制器的各個關節角度以一定比例同步映射到從關節空間內，控制機械臂從手作業。

5.根據權利要求1所述的移動機械臂人機共享控制系統，其特征在于：機械臂從手的自主控制采取點對點的軌跡規劃方式，配合PID控制器進行軌跡追蹤；所述點對點的軌跡規劃采用五次多項式進行規劃。

6.一種應用于權利要求1所述的移動機械臂人機共享控制系統的共享控制方法，其特征在于，所述關節變化輸出模塊通過機械臂從手的末端執行器的自由度計算關節變化量，計算式為：

式中，ΔX為末端執行器的變化量矩陣，ΔQ表示關節變化量矩陣，q為通道量，包括關節的旋轉角度和位移距離；n表示關節的個數，m為末端執行器的自由度個數；f表示末端執行器的自由度向量組中各元素與通道量q之間的映射，記為x＝f(q)；

模糊控制器的模糊規則包括：關節變化量越大對應共享控制系數越大，關節變化量越小對應共享控制系數越小；

控制器采用Mamdani模糊推理法實現模糊推理。

7.根據權利要求6所述的共享控制方法，其特征在于，模糊蘊含關系計算式為：

其中和分別表示機械臂關節變化量Q與機械臂末端與目標物間的距離L量化后在各自論域上的各個模糊集的隸屬度，表示對輸入對象進行模糊推理的蘊含關系所具有的隸屬度，為共享控制系數量化后在其論域上的模糊集的隸屬度，R_i為每條模糊控制規則對應的蘊含關系；

模糊邏輯推理的總輸出為：

式中，U^*為模糊邏輯推理的總輸出，為輸入對象量化后各模糊集隸屬度的交集，且i為模糊規則數。

8.根據權利要求6所述的共享控制方法，其特征在于：對于機械臂關節變化量Q和機械臂與目標物間的距離L的模糊合集的隸屬度函數，采用梯形隸屬度函數與三角隸屬度函數相結合的方式，在模糊集位于中間程度時采取三角形隸屬度函數，而在兩端極端程度則采用梯形隸屬度函數。

9.根據權利要求6所述的共享控制方法，其特征在于：對于共享控制系數η的模糊合集的隸屬度函數，采用三角形隸屬度函數和S型隸屬度函數相結合的方式，在模糊集位于中間程度時采取三角形隸屬度函數，而在兩端極端程度則采用S型隸屬度。