CN111300408A - 一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法 - Google Patents

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CN111300408A CN202010081716.4A CN202010081716A CN111300408A CN 111300408 A CN111300408 A CN 111300408A CN 202010081716 A CN202010081716 A CN 202010081716A CN 111300408 A CN111300408 A CN 111300408A
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Abstract

本发明提供了一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，基于形似控制将人类运动动作转化为仿人双臂机器人运动规划，并基于神似控制实现所述仿人双臂机器人作业时每条机械臂的末端柔顺特性与人相似。本发明不仅仅能够有效借鉴人类在非结构化环境中开展任务操作时的运动经验，通过形似控制实现机器人非结构环境中的快速规划，也能够借鉴了人手臂运动与刚度的变化规律，基于人的运动意图在线修改末端柔顺控制参数，从而使机械臂在与环境或操作目标接触时表现出与人类似的柔顺特性，从而提升非结构环境下仿人双臂安防机器人作业任务的执行效果。

Description

一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法
技术领域
本发明一种机器人运动规划与柔顺控制的方法。本发明更具体地涉及一种应用于仿人双臂安防机器人的模拟人类开展作业的运动控制方法。
背景技术
机器人技术作为最具有研究和发展价值的技术之一，已经被广泛应用于各行各业中，成为了目前高度重视的研究方向。机器人产业正在全球范围内加速发展，2015年全球机器人行业及相关服务市场规模已突破100亿美元，到达2020年将增长至超过300亿美元。
经过30多年的发展，中国已经有超过4000多家与保安行业相关的企业，保安人员也超过了450多万人。尽管如此，保安人员与警务人员的配比相比于发达国家仍显不足。在国内，安保行业是服务业的底层行业，从业安保人员的文化水平普遍较低，使得该行业的人员流失率非常之高。随着信息技术的迅猛发展，智慧城市的概念油然而生，安防机器人作为综合人工智能、自动控制等技术的综合体已经占了越来越重要的地位。
尽管安防机器人越来越重要，然而其运动仍存在着不灵活不协调的问题。而人类在进行具体的操作任务时，会根据任务目标位置，目标环境情况以及具体的作业任务内容等利用多年训练与经验总结产生一组合理的运动控制方案。当人手臂未与环境或目标发生接触时，可以直接依据视觉感知生成最优动作进行运动；当人手臂与环境或目标接触时，人会根据神经系统和运动系统智能综合协调，并结合接触力/力矩改变运动动作，从而高质量的完成任务。
中国发明专利第201210143001.2号公开了一种仿人机器人手臂作业动态稳定控制方法，该方法通过辅助臂的最优分解动量运动实现机器人作业的动态稳定，保证机器人的全面稳定性：不跳动、不倾倒、不滑动，自动附带保证规划出的辅助臂关节角速度不超限，依据物理原理通过嵌入式高速计算机精密控制和调整机器人的动态稳定性，计算精确，安全可靠，反应迅速，使得机器人作业臂执行高速大范围复杂智能作业时能保持动态稳定。
中国发明专利第201510391934.7号公开了一种机器人笛卡尔空间轨迹的规划方法，通过建立连杆坐标系，由运动学建模分析方法得正运动学方程；通过机器人所具有的向量几何性质和轨迹规划的形位要求，求解主控关节和中间关节的转动角度；利用运动学建模分析方法，利用已求解的关节转动角度，寻求含有已引入变量的关系算式，求解相应关节的转动角度；当任务空间存在障碍时进行轨迹规划，通过向量几何法判定其是否为可达位姿；规划耦合位置信息的可连续时变姿态，进而完成规划任务。该方法避免了产生增根、筛选匹配有效解；可以有效规避奇异路径，同时可以避免和优化由关节空间规划出的末端轨迹复杂的缺陷等。
上述方法虽然能够实现机器人运动的动态稳定，并能够实现运动规划，但无法保证其运动动作与人类似。而其当机械臂与外界环境发生接触时，上述方法无法保证其运动特性与人类似。
发明内容
本发明的目的是提出一种结合形似与神似的七自由度机器人仿人运动控制策略，使机器人能够在非结构环境中像人一样实现复杂操作任务。
本发明的技术方案如下。
一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，操作人员穿戴动作采集器，利用机器人头部视觉远程观察作业环境，并基于自身经验进行运动；
步骤S2，基于人体的运动状态通过形似控制得到所述仿人双臂机器人的规划信息；
步骤S3：在形似控制的基础上，进行神似控制，使所述仿人双臂机器人表现出与人类相似的作业性能。
优选地，所述动作采集器包括两个杆件，以及7个关节，具有7个自由度；所述动作采集器能够对人体运动信息进行采集，并将人体运动动作转换为其运动关节角度Θc与关节角速度
Figure BDA0002380543270000021
所述双臂机器人的每个臂为7自由度冗余机械臂，具有与所述动作采集器相对应的7个关节。
优选地，所述步骤S2进一步包括：
步骤S21，分别计算动作采集器两个杆件的姿态信息；
步骤S22，通过姿态等效得到机器人两个杆件的姿态信息；
步骤S23，根据机器人双杆姿态分别计算得到机器人关节角度，得到机器人形似控制所需的各个关节角。
优选地，所述步骤S21中的两个杆件的姿态信息包括第一杆件的姿态矩阵
Figure BDA0002380543270000031
以及第二杆件的姿态矩阵
Figure BDA0002380543270000032
优选地，所述步骤S22进一步包括根据所述第一杆件、第二杆件的姿态矩阵
Figure BDA0002380543270000033
和
Figure BDA0002380543270000034
得到机器人期望的杆件姿态矩阵
Figure BDA0002380543270000035
和
Figure BDA0002380543270000036
优选地，所述步骤S23进一步包括基于
Figure BDA0002380543270000037
求逆解得到机器人肩部的第一关节、第二关节、第三关节的角度值θr1、θr2、θr3，基于
Figure BDA0002380543270000038
求逆解得到机器人腕部的第五关节、第六关节、第七关节的角度值θr5、θr6、θr7；基于动作采集器肘部第四关节的角度θc4得到机器人肘部的第四关节的角度为θr4＝θc4。
优选地，所述步骤S3进一步包括：
步骤S31，根据动作采集器雅可比矩阵计算得到人手臂末端运动速度；
步骤S32，基于矩阵映射计算得到机器人末端运动速度；
步骤S33，基于人速度-刚度规律得到机器人作业时末端刚度；
步骤S34，基于导纳控制得到机器人末端运动速度；
步骤S35，基于机器人雅可比伪逆计算得到机器人作业时关节运动规划信息。
优选地，所述步骤S32进一步包括：根据人手臂末端坐标系{C}到机器人末端坐标系{R}的旋转矩阵
Figure BDA0002380543270000039
得到人手臂末端速度在机器人末端坐标系{R}下的表示
Figure BDA00023805432700000310
为:
Figure BDA00023805432700000311
优选地，所述步骤S33进一步包括：根据柔顺刚度与期望速度之间的变化规律：
Figure BDA00023805432700000312
Figure BDA00023805432700000313
K为虚拟刚度矩阵，K0为6维向量，代表初始刚度值，α为刚度随速度的变化系数，
Figure BDA0002380543270000041
为6维向量，代表预设的最大末端速度，
Figure BDA0002380543270000042
为6×1的末端实际速度，
Figure BDA0002380543270000043
为6维向量，表示归一化的速度值，
Figure BDA0002380543270000044
为速度与刚度的映射函数；选用logistic函数作为映射函数
Figure BDA0002380543270000045
其表达式如下：
Figure BDA0002380543270000046
其中P0为初始值，λ为终值，r为衡量曲线变化快慢的系数；
通过上述公式通过人末端运动速度获取机器人末端刚度值。
优选地，所述步骤S34进一步包括：当安防机器人与环境发生接触，产生接触力fH，通过阻抗控制方程获取机器人在此接触力作用下的速度
Figure BDA00023805432700000412
公式如下，
Figure BDA0002380543270000047
式中M、C分别为末端虚拟质量矩阵、虚拟阻尼矩阵；虚拟质量矩阵M与虚拟阻尼矩阵C设定为定值，则机器人末端运动速度
Figure BDA0002380543270000048
仅与虚拟刚度矩阵K有关，由此通过人体末端运动得到安防机器人末端与环境发生碰撞时由于接触力产生的末端柔顺运动速度
Figure BDA0002380543270000049
所述步骤S35采用雅可比伪逆的方式获取机器人各关节的运动速度
Figure BDA00023805432700000410
具体公式如下：
Figure BDA00023805432700000411
本发明不仅仅能够有效借鉴人类在非结构化环境中开展任务操作时的运动经验，通过形似控制实现机器人非结构环境中的快速规划，也能够借鉴了人手臂运动与刚度的变化规律，基于人的运动意图在线修改末端柔顺控制参数，从而使机械臂在与环境或操作目标接触时表现出与人类似的柔顺特性，从而提升非结构环境下仿人双臂安防机器人作业任务的执行效果。
附图说明
图1是本发明的仿人双臂机器人运动规划控制方法流程图。
图2是本发明的方法所涉及的动作采集器示意图。
图3是本发明的方法所涉及的机器人机械臂结构示意图。
具体实施方式
如附图1所示，本发明提供了一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，该方法包括如下步骤。
步骤1：操作人员穿戴动作采集器，利用机器人头部视觉远程观察作业环境，并基于自身经验进行运动，动作采集器对人体运动信息进行采集，并将人体运动动作转换为七自由度操作器的运动关节角度Θc与关节角速度
Figure BDA0002380543270000059
动作采集器的结构如图2所示，所述动作采集器包括两个杆件，以及串联连接的7个关节，具有7个自由度；其中的关节包括肩部的关节1、关节2、关节3，肘部的关节4，以及腕部的关节5、关节6、关节7。
虽然以上所述的动作采集器采用了包括两个杆件的结构，本领域技术人员能够理解，本发明并不局限于此。所述动作采集器还可以更换为其他的类型，例如可穿戴式惯性单元或者带有力反馈的外骨骼。更换后也可以通过本发明提出的双杆件姿态映射方式实现仿人双臂机器人的形似控制。
步骤2：基于人体的运动状态通过形似控制得到仿人双臂机器人的机械臂的规划信息。所述仿人双臂机器人的一条机械臂的结构如图3所示。所述双臂机器人的每个臂为7自由度冗余机械臂，具有与所述动作采集器相对应的7个关节。所述步骤2的具体过程如下。
1、分别计算动作采集器两个杆件的姿态信息。
动作采集器可以看作由两个杆件通过关节4连接而成，根据关节1、关节2、关节3可以计算得到杆件1的姿态矩阵
Figure BDA0002380543270000051
根据关节5、关节6、关节7可以计算得到杆件2的姿态矩阵
Figure BDA0002380543270000052
2、通过姿态等效得到仿人双臂机器人两个杆件的姿态信息。
根据形似控制，仿人双臂机器人的两个杆件呈现的空间姿态需与人体姿态相似，因此可以根据动作采集器杆件1、2的姿态矩阵
Figure BDA0002380543270000053
和
Figure BDA0002380543270000054
得到机器人期望的杆件姿态矩阵
Figure BDA0002380543270000055
和
Figure BDA0002380543270000056
3、根据仿人双臂机器人的双杆姿态分别计算得到仿人双臂机器人的每条机械臂的相应关节角度。
基于
Figure BDA0002380543270000057
求逆解便可得到仿人双臂机器人关节1、关节2、关节3的角度值θr1、θr2、θr3，基于
Figure BDA0002380543270000058
求逆解便可得到仿人双臂机器人的机械臂的关节5、关节6、关节7的角度值θr5、θr6、θr7。由于所述动作采集器的关节4与所述仿人双臂机器人的机械臂的关节4可以直接等效，因此所述仿人双臂机器人的机械臂的关节4的角度为θr4＝θc4。
至此，可以得到所述仿人双臂机器人形似控制所需的每个机械臂的各个关节角。
步骤3：在形似控制的基础上，进行神似控制，使所述仿人双臂机器人表现出与人类似的作业性能。其具体过程如下：
1、根据动作采集器雅可比矩阵计算得到人手臂末端运动速度。
利用动作采集器雅可比矩阵J(Θc)计算得到采集器末端笛卡尔空间运动速度
Figure BDA0002380543270000061
表达式如下。
Figure BDA0002380543270000062
由于人手末端与所述动作采集器末端固连，因此可以用
Figure BDA0002380543270000063
表示人手臂末端的运动速度。
2、基于矩阵映射计算得到所述仿人双臂机器人的每一条机械臂的末端运动速度。
已知人手臂末端坐标系{C}到所述仿人双臂机器人的一条机械臂的末端坐标系{R}的旋转矩阵为
Figure BDA0002380543270000064
则人手臂末端速度在所述仿人双臂机器人的该条机械臂的末端坐标系{R}下的表示
Figure BDA0002380543270000065
为:
Figure BDA0002380543270000066
3、基于人速度-刚度规律得到所述仿人双臂机器人作业时每一条机械臂的末端刚度。
由于人手臂末端运动速度与末端刚度之间存在着正相关。因此可借鉴此运动机理，建立所述仿人双臂机器人的每一条机械臂的末端柔顺刚度与末端期望运动之间的关系。设柔顺刚度与期望速度之间的变化规律如下：
Figure BDA0002380543270000067
Figure BDA0002380543270000068
K0为6维向量，代表初始刚度值，α为刚度随速度的变化系数，
Figure BDA0002380543270000069
为6维向量，代表预设的最大末端速度，
Figure BDA00023805432700000610
为6×1的末端实际速度。
Figure BDA00023805432700000611
为6维向量，表示归一化的速度值，
Figure BDA00023805432700000612
为速度与刚度的映射函数。本发明选用logistic函数作为映射函数
Figure BDA00023805432700000613
其表达式如下：
Figure BDA0002380543270000071
其中P0为初始值，λ为终值，r为衡量曲线变化快慢的系数。
通过上述公式可以通过人末端运动速度获取所述仿人双臂机器人的机械臂的末端刚度值。
4、基于导纳控制得到所述仿人双臂机器人的机械臂的末端运动速度。
当所述仿人双臂机器人的机械臂的末端与环境发生接触，产生接触力fH，通过阻抗控制方程获取所述仿人双臂机器人的机械臂的末端在此接触力作用下的速度
Figure BDA0002380543270000072
公式如下，式中M、C、K分别为所述仿人双臂机器人的机械臂的末端的虚拟质量矩阵、虚拟阻尼矩阵与虚拟刚度矩阵。
Figure BDA0002380543270000073
虚拟质量矩阵M与虚拟阻尼矩阵C设定为定值，则所述仿人双臂机器人的机械臂的末端运动速度
Figure BDA0002380543270000074
仅与虚拟刚度矩阵K有关，可以通过人体末端运动得到所述仿人双臂机器人的机械臂的末端与环境发生碰撞时由于接触力产生的末端柔顺运动速度
Figure BDA0002380543270000075
5、基于仿人双臂机器人雅可比伪逆计算得到所述仿人双臂机器人作业时各条机械臂的各关节运动规划信息。
由于所述人双臂机器人的各条机械臂为7自由度冗余机械臂，因此采用雅可比伪逆的方式获取所述仿人双臂机器人的每条机械臂的各关节的运动速度
Figure BDA0002380543270000077
具体公式如下：
Figure BDA0002380543270000076
在一优选的实施方式中，所述仿人双臂机器人为用于安防的仿人双臂机器人。
由以上技术方案，本发明一方面提供了基于形似控制与神似控制实现仿人双臂机器人运动规划的算法流程：基于形似控制将人类运动动作转化为仿人双臂机器人运动规划，并基于神似控制实现所述仿人双臂机器人作业时每条机械臂的末端柔顺特性与人相似。
本发明另一个方面提供了双杆件姿态映射方法：基于仿人双臂机器人的机械臂与人手臂相似的结构，利用动作采集器获取人运动关节角，从而得到人大臂和小臂的姿态信息，映射到所述仿人双臂机器人的机械臂，并利用机器人杆件的逆运动学计算得到所述仿人双臂机器人的各条机械臂的各个关节的关节角，从而实现所述仿人双臂机器人的形似控制。
本发明还提供了根据人的末端运动速度获取机器人末端刚度的方式：借鉴人类运动作业时末端运动速度与末端刚度存在正相关的特性，利用logistic函数作为末端运动速度与末端运动刚度之间的映射函数，实现末端刚度随末端运动速度增加而增加的特性，并保证在低速或高速运动时所述仿人双臂机器人的机械臂的末端刚度的稳定。

Claims (10)

1.一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，操作人员穿戴动作采集器，利用机器人头部视觉远程观察作业环境，并基于自身经验进行运动；
步骤S2，基于人体的运动状态通过形似控制得到所述仿人双臂机器人的规划信息；
步骤S3：在形似控制的基础上，进行神似控制，使所述仿人双臂机器人表现出与人类相似的作业性能。
2.根据权利要求1所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述动作采集器包括两个杆件，以及7个关节，具有7个自由度；所述动作采集器能够对人体运动信息进行采集，并将人体运动动作转换为其运动关节角度Θc与关节角速度
Figure FDA0002380543260000011
所述双臂机器人的每个臂为7自由度冗余机械臂，具有与所述动作采集器相对应的7个关节。
3.根据权利要求2所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
步骤S21，分别计算动作采集器两个杆件的姿态信息；
步骤S22，通过姿态等效得到机器人两个杆件的姿态信息；
步骤S23，根据机器人双杆姿态分别计算得到机器人关节角度，得到机器人形似控制所需的各个关节角。
4.根据权利要求3所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述步骤S21中的两个杆件的姿态信息包括第一杆件的姿态矩阵
Figure FDA0002380543260000012
以及第二杆件的姿态矩阵
Figure FDA0002380543260000013
5.根据权利要求4所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述步骤S22进一步包括根据所述第一杆件、第二杆件的姿态矩阵
Figure FDA0002380543260000014
和
Figure FDA0002380543260000015
得到机器人期望的杆件姿态矩阵
Figure FDA0002380543260000016
和
Figure FDA0002380543260000017
6.根据权利要求5所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述步骤S23进一步包括基于
Figure FDA0002380543260000018
求逆解得到机器人肩部的第一关节、第二关节、第三关节的角度值θr1、θr2、θr3，基于
Figure FDA0002380543260000019
求逆解得到机器人腕部的第五关节、第六关节、第七关节的角度值θr5、θr6、θr7；基于动作采集器肘部第四关节的角度θc4得到机器人肘部的第四关节的角度为θr4＝θc4。
7.根据权利要求2所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
步骤S31，根据动作采集器雅可比矩阵计算得到人手臂末端运动速度；
步骤S32，基于矩阵映射计算得到机器人末端运动速度；
步骤S33，基于人速度-刚度规律得到机器人作业时末端刚度；
步骤S34，基于导纳控制得到机器人末端运动速度；
步骤S35，基于机器人雅可比伪逆计算得到机器人作业时关节运动规划信息。
8.根据权利要求7所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述步骤S32进一步包括：根据人手臂末端坐标系{C}到机器人末端坐标系{R}的旋转矩阵
Figure FDA0002380543260000021
得到人手臂末端速度在机器人末端坐标系{R}下的表示
Figure FDA0002380543260000022
为:
Figure FDA0002380543260000023
9.根据权利要求8所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述步骤S33进一步包括：根据柔顺刚度与期望速度之间的变化规律：
Figure FDA0002380543260000024
Figure FDA0002380543260000025
K为虚拟刚度矩阵，K0为6维向量，代表初始刚度值，α为刚度随速度的变化系数，
Figure FDA0002380543260000026
为6维向量，代表预设的最大末端速度，
Figure FDA0002380543260000027
为6×1的末端实际速度，
Figure FDA0002380543260000028
为6维向量，表示归一化的速度值，
Figure FDA0002380543260000029
为速度与刚度的映射函数；选用logistic函数作为映射函数
Figure FDA00023805432600000210
其表达式如下：
Figure FDA00023805432600000211
其中P0为初始值，λ为终值，r为衡量曲线变化快慢的系数；
通过上述公式通过人末端运动速度获取机器人末端刚度值。
10.根据权利要求9所述的一种结合形似与神似的仿人双臂机器人运动规划控制方法，其特征在于，所述步骤S34进一步包括：当安防机器人与环境发生接触，产生接触力fH，通过阻抗控制方程获取机器人在此接触力作用下的速度
Figure FDA0002380543260000031
公式如下，
Figure FDA0002380543260000032
式中M、C分别为末端虚拟质量矩阵、虚拟阻尼矩阵；虚拟质量矩阵M与虚拟阻尼矩阵C设定为定值，则机器人末端运动速度
Figure FDA0002380543260000033
仅与虚拟刚度矩阵K有关，由此通过人体末端运动得到安防机器人末端与环境发生碰撞时由于接触力产生的末端柔顺运动速度
Figure FDA0002380543260000034
所述步骤S35采用雅可比伪逆的方式获取机器人各关节的运动速度
Figure FDA0002380543260000035
具体公式如下：
Figure FDA0002380543260000036
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