CN109249394B - 基于导纳控制算法的机器人控制方法及系统 - Google Patents

基于导纳控制算法的机器人控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于导纳控制算法的机器人控制方法及系统。方法包括以下步骤：获取作用在操作器上的引导力，并根据导纳系数和所述引导力计算机械臂的末端的目标速度；获取所述末端的当前速度，并根据所述当前速度和所述引导力计算所述末端的加速度；将所述目标速度和所述加速度输入所述控制器以控制所述机械臂。本发明通过引导力与速度和加速度的匹配，实现机器人的柔顺控制，响应速度和灵敏度大大提高，保证了操作的沉浸感和真实感，适用于需要在狭小或者是复杂曲面空间进行操作的机器人。

Description

基于导纳控制算法的机器人控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种基于导纳控制算法的机器人控制方法及系统。
背景技术
目前，商业化的人机交互型机器人主要采用阻抗控制和导纳控制两种方法。阻抗控制是指输入位移而输出力的控制方式，其更适合刚性环境下的动态交互。导纳控制是研究输入力与输出速度之间的关系问题，更适合于柔性环境相互交互或者是在自由环境中进行操作的场景。导纳控制更加符合人的操作直观感受，可提高操作的沉浸感和真实感，更适合于拖拽等应用场景，因此较适合应用于医疗机器人。
现有导纳控制算法是通过多维力传感器获取操作者作用在机械臂的末端的操作器上的力/力矩信息，以此作为控制器的输入，控制器的输出结果就是速度命令即位置增量。但是当操作于狭小或者是复杂曲面空间如进行关节置换手术的假体磨削空间时，需要更灵敏和快速的响应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的导纳控制算法不能满足机器人在狭小或者是复杂曲面空间进行操作的速度和灵敏度的要求的缺陷，提供一种基于导纳控制算法的机器人控制方法及系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种基于导纳控制算法的机器人控制方法，所述机器人包括机械臂和控制器，所述机械臂的末端设有操作器，所述机器人控制方法包括以下步骤：
获取作用在所述操作器上的引导力，并根据导纳系数和所述引导力计算所述末端的目标速度；
获取所述末端的当前速度，并根据所述当前速度和所述引导力计算所述末端的加速度；
将所述目标速度和所述加速度输入所述控制器以控制所述机械臂。
较佳地，所述机器人控制方法，还包括：
根据以下函数计算所述导纳系数：
Figure BDA0001813931210000021
其中，G表征导纳系数；vt表征所述当前速度；v1、v2为速度阈值；k1、k2为参数。
较佳地，k1的取值范围为0～0.05；
k2的取值范围为0.005～1；
v1的取值范围为0m/s～0.1m/s；
v2的取值范围为0.1m/s～1m/s。
较佳地，所述机器人控制方法，还包括：
根据以下公式计算所述加速度：
Figure BDA0001813931210000022
其中，at表征所述加速度；f表征所述引导力；B表征所述引导力的阻尼系数；vt表征所述当前速度；M表征所述操作器的质量。
较佳地，所述机器人控制方法还包括：
判断所述目标速度是否大于目标速度阈值；
在判断为是时，调整所述目标速度，直至所述目标速度等于所述目标速度阈值。
本发明还提供一种基于导纳控制算法的机器人控制系统，所述机器人包括机械臂和控制器，所述机械臂的末端设有操作器，所述机器人控制系统包括：
多维力矩传感器，用于获取作用在所述操作器上的引导力；
速度传感器，用于获取所述末端的当前速度；
计算模块，用于根据导纳系数和所述引导力计算所述末端的目标速度，以及根据所述当前速度和所述引导力计算所述末端的加速度，并将所述目标速度和所述加速度发送至所述控制器；
所述控制器用于根据所述目标速度和所述加速度控制所述机械臂。
较佳地，所述计算模块还用于根据以下函数计算所述导纳系数：
Figure BDA0001813931210000031
其中，G表征导纳系数；vt表征所述当前速度；v1、v2为速度阈值；k1、k2为参数。
较佳地，k1的取值范围为0～0.05；
k2的取值范围为0.005～1；
v1的取值范围为0m/s～0.1m/s；
v2的取值范围为0.1m/s～1m/s。
较佳地，所述计算模块根据以下公式计算所述加速度：
Figure BDA0001813931210000032
其中，at表征所述加速度；f表征所述引导力；B表征所述引导力的阻尼系数；vt表征所述当前速度；M表征所述操作器的质量。
较佳地，所述机器人控制系统还包括：
判断模块，用于判断所述目标速度是否大于目标速度阈值；
在判断为是时，调用调节模块；
所述调节模块，用于调整所述目标速度，直至所述目标速度等于所述目标速度阈值。
本发明的积极进步效果在于：较单纯通过引导力与速度实现机器人的控制，本发明通过引导力与速度和加速度的匹配，实现机器人的柔顺控制，响应速度和灵敏度大大提高，保证了操作的沉浸感和真实感，适用于需要在狭小或者是复杂曲面空间进行操作的机器人。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于导纳控制算法的机器人控制方法的流程图。
图2为本发明实施例中的基于导纳控制算法的机器人控制方法的导纳系数的函数曲线示意图。
图3为本发明实施例中的基于导纳控制算法的机器人控制方法的质量-阻尼模型示意图。
图4为本发明实施例中的基于导纳控制算法的机器人控制方法的交互控制原理图。
图5为本发明实施例提供的一种基于导纳控制算法的机器人控制系统的模块示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本实施例提供一种基于导纳控制算法的机器人控制方法，机器人包括多关节机械臂和控制器，机械臂的末端设有操作器。如图1所示，本实施例的机器人控制方法包括以下步骤：
步骤101、获取作用在操作器上的引导力和机械臂末端点的当前速度。
具体的，引导力的获取可通过多维力矩传感器(例如六维力矩传感器)获得。多维力矩传感器安装于机械臂的末端，当操作者与操作器直接接触并拖拽时，传感器即可获取引导力数据。
Figure BDA0001813931210000051
其中，f表征引导力，Fw和Tw为引导力各向大小和对应力矩。
步骤102、根据导纳系数和引导力计算末端的目标速度。
计算目标速度的公式如下：
Figure BDA0001813931210000052
其中，v表征末端点的目标速度；G为导纳系数，是引导力和目标速度之间匹配的导纳增益对角矩阵，对引导力实现成比例的变化。
导纳系数(也称导纳增益参数)控制着机器人整体的目标运动速度和交互性能，本实施例中，根据机械臂末端的实际速度大小通过分段函数来确定导纳系数G的大小，以实现低速、精确的定位和高速、粗糙的运动。具体的，根据以下函数计算导纳系数，函数曲线参见图2：
Figure BDA0001813931210000053
其中，vt表征机械臂末端的当前速度；‖vt‖是笛卡尔速度命令；v1、v2为速度阈值；k1、k2为参数。
根据上述函数可知，当操作机器人末端进行缓慢的运动(即‖vt‖≤v1)时，导纳系数G恒定为k1；当速度超过阈值v1但未到达阈值v2(即v1＜‖vt‖≤v2)时，导纳增益参数G随当前实际速度的增加成比例增加；当速度超过阈值v2(即‖vt‖＞v2)时，导纳增益参数G恒定为k2。其中，速度阈值v1、v2和参数k1、k2通过多次实验测试确定，当k1在0～0.05范围内取值；k2在0.005～1范围内取值；v1在0m/s～0.1m/s范围内取值；v2在0.1m/s～1m/s范围内取值较合适，此时机器人柔顺控制的响应速度和灵敏度较好，能够满足操作者对机械臂运动速度的期望。优选地，k1＝0.002，k2＝0.005，v1＝0.05m/s，v2＝0.5m/s，此时机器人柔顺控制的响应速度和灵敏度非常好，保证了操作的沉浸感和真实感，特别适用于需要在狭小或者是复杂曲面空间进行操作的机器人。
步骤103、根据当前速度和引导力计算末端的加速度。
当操作者与操作器直接接触并进行拖拽动作时，分析两者的接触关系可采用质量-阻尼模型，参见图3所示。此模型仅考虑人手与操作器的相互作用，可将机械臂等效为固定面得出末端的运动期望，再用逆运动学得出机械臂各关节的运动目标。
根据质量-阻尼模型，引导力描述如下：
Mat+Bvt＝f；
从而，
Figure BDA0001813931210000061
其中，at表征加速度；B表征引导力的阻尼系数；M表征操作器的质量。
步骤104、将目标速度和加速度输入控制器以控制机械臂。
根据定义可知，
Figure BDA0001813931210000062
从而，基于导纳控制算法的机器人控制方法的交互控制原理图参见图4。
本实施例中，通过引导力与机械臂末端的速度和加速度的匹配，实现机器人的柔顺控制，从而实现人机协同交互。该方法可以但不限于适用于医疗机器人，需要进行拖拽等人机协作的机器人都适用该方法。
本实施例中，为目标速度设置了警示速度值vmax(目标速度阈值)，一旦到达就不再增加。实现过程如下：
判断目标速度是否大于目标速度阈值；
在判断为是时，调整目标速度，直至目标速度等于目标速度阈值。
这样可以最大限度地利用其灵活性，也能够防止速度过大而损坏设备。
本实施例还提供一种基于导纳控制算法的机器人控制系统，机器人包括机械臂和控制器，机械臂的末端设有操作器。如图5所示，本实施例的机器人控制系统包括：多维力矩传感器1、速度传感器2、计算模块3、判断模块4和调节模块5。多维力传感器1安装于机械臂的末端，传感器输出端接末端夹具和工具。控制器6、多维力矩传感器1、速度传感器2均与计算模块3电连接。判断模块4分别与计算模块3和调节模块5电连接。
多维力矩传感器1用于获取作用在操作器上的引导力。多维力矩传感器例如可使用六维力矩传感器。操作时，操作者手持操作器，当操作者与操作器直接接触并拖拽时，操作者施加在操作器上的力反映到多维力传感器上，即可获取引导力数据。
Figure BDA0001813931210000071
其中，f表征引导力，Fw和Tw为引导力各向大小和对应力矩。
速度传感器2用于获取机械臂的末端点的当前速度，也即实际速度。
计算模块3用于根据导纳系数和引导力计算末端的目标速度，以及根据当前速度和引导力计算末端的加速度，并发送至控制器6。
本实施例中，计算模块3计算目标速度的公式如下：
Figure BDA0001813931210000072
其中，v表征末端点的目标速度；G为导纳系数，是引导力和目标速度之间匹配的导纳增益对角矩阵，对引导力实现成比例的变化。
本实施例中，为目标速度设置了警示速度值vmax(目标速度阈值)，一旦到达就不再增加。这样可以最大限度地利用其灵活性，也能够防止速度过大而损坏设备。
从而，判断模块4实时判断目标速度是否大于目标速度阈值。在判断为是时，则调用调节模块5以调整目标速度，直至目标速度等于目标速度阈值。
导纳系数(也称导纳增益参数)控制着机器人整体的目标运动速度和交互性能，本实施例中，根据机器人末端的实际速度大小通过分段函数来确定导纳系数G的大小，以实现低速、精确的定位和高速、粗糙的运动。具体的，计算模块根据以下函数计算导纳系数：
Figure BDA0001813931210000073
其中，vt表征机械臂末端的当前速度；‖vt‖是笛卡尔速度命令；v1、v2为速度阈值；k1、k2为参数。
根据上述函数可知，当操作机器人末端进行缓慢的运动(即‖vt‖≤v1)时，导纳系数G恒定为k1；当速度超过阈值v1但未到达阈值v2(即v1＜‖vt‖≤v2)时，导纳增益参数G随当前实际速度的增加成比例增加；当速度超过阈值v2(即‖vt‖＞v2)时，导纳增益参数G恒定为k2。其中，速度阈值v1、v2和参数k1、k2通过多次实验测试确定，k1在0～0.05范围内取值；k2在0.005～1范围内取值；v1在0m/s～0.1m/s范围内取值；v2在0.1m/s～1m/s范围内取值较合适，此时机器人柔顺控制的响应速度和灵敏度较好，能够满足操作者对机械臂运动速度的期望。优选地，k1＝0.002，k2＝0.005，v1＝0.05m/s，v2＝0.5m/s，此时机器人柔顺控制的响应速度和灵敏度非常好，保证了操作的沉浸感和真实感，特别适用于需要在狭小或者是复杂曲面空间进行操作的机器人。
本实施例中，计算模块根据以下公式计算加速度：
Figure BDA0001813931210000081
其中，at表征加速度；f表征引导力；B表征引导力的阻尼系数；M表征操作器的质量。
控制器6用于根据目标速度和加速度控制机械臂。从而，实现了机器人的柔顺控制，响应速度和灵敏度大大提高，保证了操作的沉浸感和真实感，适用于需要在狭小或者是复杂曲面空间进行操作的机器人。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于导纳控制算法的机器人控制方法，所述机器人包括机械臂和控制器，所述机械臂的末端设有操作器，其特征在于，所述机器人控制方法包括以下步骤：
获取作用在所述操作器上的引导力，并根据导纳系数和所述引导力计算所述末端的目标速度；
计算所述目标速度的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure 296612DEST_PATH_IMAGE002
表征所述引导力；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表征所述导纳系 数；
根据以下函数计算所述导纳系数：
Figure 400703DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表征当前速度；
Figure 383703DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为速度阈值；
Figure 201748DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为参数；
获取所述末端的当前速度，并根据所述当前速度和所述引导力计算所述末端的加速度；
根据以下公式计算所述加速度：
Figure 953803DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表征所述加速度；B表征所述引导力的阻尼系数；
Figure 963217DEST_PATH_IMAGE005
表征所述当前速度；M表征所 述操作器的质量；
将所述目标速度和所述加速度输入所述控制器以控制所述机械臂。
2.如权利要求1所述的基于导纳控制算法的机器人控制方法，其特征在于，
Figure 964671DEST_PATH_IMAGE008
的取值范 围为0~0.05；
Figure 632412DEST_PATH_IMAGE009
的取值范围为0.005~1；
Figure 517935DEST_PATH_IMAGE012
的取值范围为0m/s~0.1m/s；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的取值范围为0.1m/s~1m/s。
3.如权利要求1所述的基于导纳控制算法的机器人控制方法，其特征在于，所述机器人控制方法还包括：
判断所述目标速度是否大于目标速度阈值；
在判断为是时，调整所述目标速度，直至所述目标速度等于所述目标速度阈值。
4.一种基于导纳控制算法的机器人控制系统，所述机器人包括机械臂和控制器，所述机械臂的末端设有操作器，其特征在于，所述机器人控制系统包括：
多维力矩传感器，用于获取作用在所述操作器上的引导力；
速度传感器，用于获取所述末端的当前速度；
计算模块，用于根据导纳系数和所述引导力计算所述末端的目标速度，以及根据所述当前速度和所述引导力计算所述末端的加速度，并将所述目标速度和所述加速度发送至所述控制器；
所述计算模块计算所述目标速度的公式如下：
Figure 714562DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure 203312DEST_PATH_IMAGE002
表征所述引导力；
Figure 409165DEST_PATH_IMAGE003
表 征所述导纳系数；
所述计算模块还用于根据以下函数计算所述导纳系数：
Figure 666971DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 80504DEST_PATH_IMAGE005
表征所述当前速度；
Figure 790971DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 534936DEST_PATH_IMAGE007
为速度阈值；
Figure 912828DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 982415DEST_PATH_IMAGE009
为参数；
所述计算模块还用于根据以下公式计算所述加速度：
Figure 930910DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 744146DEST_PATH_IMAGE011
表征所述加速度；B表征所述引导力的阻尼系数；
Figure 710965DEST_PATH_IMAGE005
表征所述当前速度；M表征所 述操作器的质量；
所述控制器用于根据所述目标速度和所述加速度控制所述机械臂。
5.如权利要求4所述的基于导纳控制算法的机器人控制系统，其特征在于，
Figure 217032DEST_PATH_IMAGE008
的取值范 围为0~0.05；
Figure 636512DEST_PATH_IMAGE009
的取值范围为0.005~1；
Figure 253438DEST_PATH_IMAGE012
的取值范围为0m/s~0.1m/s；
Figure 324032DEST_PATH_IMAGE013
的取值范围为0.1m/s~1m/s。
6.如权利要求4所述的基于导纳控制算法的机器人控制系统，其特征在于，所述机器人控制系统还包括：
判断模块，用于判断所述目标速度是否大于目标速度阈值；
在判断为是时，调用调节模块；
所述调节模块，用于调整所述目标速度，直至所述目标速度等于所述目标速度阈值。
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