一种力感知阻抗控制方法与流程

本发明涉及一种力感知阻抗控制方法，属于机器人操控技术领域。

背景技术：

在传统机器人人机协作领域，针对机械臂的运动控制，一般仅实现机械臂的示教功能，使得操作者能够柔顺控制机械臂，对机械臂的运动路径不做要求，给使用者很大的自由度控制机械臂的柔顺运动。在肢体康复、打磨等医学和工业领域需要相应的机械臂运动控制，特别是空间中机器人的运动路径控制以及路径上机械臂的阻抗控制，以制定多样的运动任务，满足不同场景中的实际需求。

技术实现要素：

本发明的目的是：实现机器人末端与外界环境接触的柔顺性，完成机器人轨迹复现功能和阻抗运动功能的相互融合。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种力感知阻抗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在机械臂末端设置外部力传感器检测装置，用户施加力拖曳机械臂时，机械臂通过外部力传感器检测装置持续实时对用户施加的外力的意图进行识别，依据识别到的外力意图不断对机械臂的运动进行精确控制，从而形成检测-执行闭环控制；

步骤2、记录从开始时间点至结束时间点的机械臂的运动轨迹；

步骤3、调整步骤2获得的运动轨迹形成最终复现轨迹，控制机械臂执行最终复现轨迹；

步骤4、预先设定刚度参数k，刚度参数k的大小随着偏移量δx而变化，从而在空间中形成不同类型的刚度场，其中，偏移量δx为机械臂末端的实时位置与最终复现轨迹中对应路径点的偏移量；

在机械臂执行最终复现轨迹的过程中，实时判断得到的机械臂末端的当前位置与最终复现轨迹中对应路径点的理论位置的偏移量δx，依据实时获得的偏移量δx得到对应的刚度参数k得到辅助力，其中，辅助力的大小与刚度参数k相当、方向为机械臂末端的当前位置至最终复现轨迹中的对应路径点，通过机械臂产生的辅助力，帮助用户到达最终复现轨迹中的对应路径点。

优选地，步骤1中，所述机械臂通过外部力传感器检测装置检测用户施加的外力的六维力觉信息，达到对用户施加的外力的意图进行识别的目的。

优选地，步骤1中，所述机械臂基于获得的所述六维力觉信息结合内部运动控制算法获得对应的运动参数，依据该运动参数，机械臂按照用户施加的外力所产生的运动趋势做主动的柔顺运动。

优选地，步骤2中，通过上位机控制所述机械臂的运动轨迹记录的开始与结束，并在记录结束后将获得的所述机械臂的运动轨迹保存在系统内存中。

优选地，步骤3中，将所述运动轨迹作为轨迹复现的基础参考轨迹，将基础参考轨迹划分为不同段的路径，调整各段路径的参数，形成最终的最终复现轨迹，并控制机械臂依次执行组成最终复现轨迹的各段路径。

优选地，步骤3中，被调整各段路径的所述参数包括柔顺度、运动速度、复现次数。

优选地，步骤4中，所述刚度参数k的大小随着所述偏移量δx的增大而变大。

本发明所述的力感知阻抗控制方法，实现了机器人末端与外界环境接触的柔顺性，将机器人轨迹复现功能和阻抗运动功能相互融合，能够完成重复性和环境适应性的机器人作业内容，适用于多种应用场合。

相对于现有技术，本发明取得了以下技术效果：

(1)本发明提供一种力感知阻抗控制方法，旨在实现机器人末端与外界环境接触的柔顺性，完成机器人轨迹复现功能和阻抗运动功能的相互融合。

(2)本发明提供的一种力感知阻抗控制方法，能够完成重复性和环境适应性的机器人作业内容，有利于提升协作机械臂在不同领域应用的灵活性。

附图说明

图1为本发明提供的一种力感知阻抗控制方法步骤示意图，图中，step1中的虚线表示检测-执行闭环控制。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明公开了一种力感知阻抗控制方法，旨在实现机器人末端与外界环境接触的柔顺性，完成机器人轨迹复现功能和阻抗运动功能的相互融合。包括：感知外力并结合运动控制算法控制机械臂运动；记录机械臂末端的运动轨迹；调整运动轨迹形成机器人轨迹复现的最终复现轨迹，机械臂依据该最终复现轨迹执行运动；调解刚度参数实现阻抗控制。

上述步骤中，感知外力并结合运动控制算法控制机械臂运动具体包括以下内容：

根据外部力传感器检测装置检测的六维力觉信息实现机械臂对外力意图的识别，依据识别到的外力意图对机械臂的运动进行精确控制。在机械臂运动过程中，持续识别外力意图，并不断根据识别到的外力意图对机械臂的运动进行精确控制，从而形成对机械臂运动的实时检测-执行的闭环控制。

根据外部力传感器检测装置检测的六维力觉信息实现机械臂对外力意图的识别，依据识别到的外力意图对机械臂的运动进行精确控制进一步包括以下内容：

通过安装在机械臂末端的外部力传感器检测装置感知外部环境的六维力信息，随后按照相应的内部力控算法(可以采用本领域技术人员的公知算法，此处不再赘述)将检测到的六维力信息转换成机械臂执行的运动参数，最后依据该运动参数对机械臂的运动进行精确控制。并且在机械臂的运动过程中，持续实时检测上述六维力信息后，再转换为对应的运动参数，不断利用得到的运动参数对机械臂的运动进行精确控制，从而实现上述的实时检测-执行的闭环控制，使机械臂按照外界拖拽外力所产生的运动趋势，做主动的柔顺运动。

上述步骤中，记录机械臂末端的运动轨迹具体包括以下内容：

在机械臂运动过程中，记录机械臂的末端空间轨迹并保存在系统内存中，作为轨迹复现的基础参考轨迹。在记录过程中，可以通过上位机控制记录的开始与结束。

上述步骤中，调整运动轨迹形成机器人轨迹复现的最终复现轨迹具体包括以下内容：

将记录的运动轨迹分为不同段路径，各段路径可以通过插值等方式调整其柔顺性，还可以调整各段路径的运动速度、次序、复现次数等，形成上述最终复现轨迹后保存在系统内存中。机械臂依次执行组成最终复现轨迹的各段路径，完成机械臂轨迹复现任务。

上述步骤中，在机械臂进行轨迹复现过程中，调解刚度参数实现阻抗控制，进而实现机械臂末端与外界环境接触的柔顺性，达到完成机械臂轨迹复现功能和阻抗运动功能的相互融合。

调解刚度参数实现阻抗控制具体包括以下内容：

判断机械臂轨迹复现过程中机械臂末端的实时位置与对应路径点的偏移量δx，基于该偏移量δx设置对应的刚度参数k。刚度参数k的大小随着偏移量δx的增大而变大，在空间中形成不同类型的刚度场。当操作者操作机械臂末端执行轨迹复现任务时，实时判断机械臂末端的当前位置与最终复现轨迹中对应路径点的理论位置的偏移量δx，当偏移量δx变大，则刚度场中的k值变大，机器人产生大小不同、方向为当前位置至最终复现轨迹中对应路径点的辅助力，帮助操作者到达对应路径点。

基于上述内容，本发明提供的一种力感知阻抗控制方法具体包括以下步骤：

step1：感知外力，控制机械臂运动：

操作者手握安装在机械臂末端的外部力传感器检测装置，施加力拖曳机械臂末端，机械臂通过外部力传感器检测装置检测到外界施加的六维力觉信息，结合内部运动控制算法获得对应的运动参数，依据该运动参数，机械臂按照外界拖拽外力所产生的运动趋势做主动的柔顺运动；

并且机械臂在运动过程中，持续实时检测外界施加的六维力觉信息，依据检测到的六维力觉信息，不断获得对应的运动参数，使得机械臂始终按照外界拖拽外力所产生的运动趋势做主动的柔顺运动，从而形成检测-执行闭环控制。

step2：记录末端运动轨迹：

在机械臂运动过程中，通过上位机控制机械臂末端运动轨迹记录的开始与结束，从而记录从开始至结束的机械臂末端的运动轨迹，并在记录结束后将获得的运动轨迹保存在系统内存中。

step2：调整轨迹形成复现路径：

获取保存在系统内存中的运动轨迹，将该运动轨迹作为轨迹复现的基础参考轨迹。将基础参考轨迹划分为不同段的路径，调整各段路径中的柔顺度、运动速度、复现次数等参数，形成最终的最终复现轨迹，并控制机械臂依次执行组成最终复现轨迹的各段路径。

step4：调解刚度参数实现阻抗控制：

预先设定刚度参数k，刚度参数k的大小随着偏移量δx的增大而变大，从而在空间中形成不同类型的刚度场，其中，偏移量δx为机械臂末端的实时位置与最终复现轨迹中对应路径点的偏移量。

在操作者执行上述step3的过程中，实时判断机械臂末端的当前位置与最终复现轨迹中对应路径点的理论位置的偏移量δx，依据实时获得偏移量δx得到对应的刚度参数k得到辅助力，辅助力的大小与刚度参数k相当，方向为机械臂末端的当前位置至最终复现轨迹中的对应路径点。通过机械臂产生的辅助力，帮助操作者到达最终复现轨迹中的对应路径点。

使用过程中，可以通过上位机提供实时的参数调试界面，以适应不要场景下的机器人作业要求。