CN113442118A - 一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开公开的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法及系统，包括：获取机器人的各关节角度和关节力矩；将获取的各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取机器人各关节的外力矩；将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中，获取机器人的末端接触力；根据机器人的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞；当判断发生碰撞时，将发生碰撞时的关节角度伺服误差代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制。实现了对机器人末端接触力的检测，根据末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞，降低发生碰撞的机器人的末端接触力，保护机器人与人体安全。
Description
技术领域
本发明涉及机器人碰撞控制技术领域，尤其涉及一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在如核电运行维护、大飞机生产制造等工业领域，存在大量操作流程复杂、工作强度大、灵活性要求高的作业任务，由于受到工作空间、特殊环境等因素限制，大型机器人和设备难于进入和发挥作用，只能依靠单人作业执行任务。可穿戴外肢体机器人可在上述受限环境、复杂工况下，通过机械肢体与人类肢体的对接融合、互助协作实现单人作业能力的增强，其技术应用前景也十分广阔。
为支持可穿戴外肢体机器人的研制，实现复杂作业过程中机器人辅助操作，首先要保证人机交互过程中的安全性，在碰撞发生时，进行碰撞检测，从撞击事件中收集最大数量的物理信息，例如接触位置和强度，以使机器人以最合适的方式做出反应，能处理机器人与人类之间碰撞的安全保护策略是今后人机交互进行辅助作业的基础。发明人发现现有的碰撞检测方法可分为两类：使用外部传感器和不使用外部传感器。其中无传感器碰撞检测只关注于外部力矩的估计，而出于对人体安全性的考虑，接触力的估计才是关键。为使接触力检测更具实用性，不仅要估计作用点位于末端的接触力，还需要估计发生在杆件上的碰撞力的大小，而由于柔性力传感器造价高昂，要想使用力传感器对机器人全身碰撞检测无疑会极大的提高使用成本。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法及系统，实现了对机器人末端接触力的检测，并能够根据检测的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞，进而对发生碰撞的机器人末端进行控制，降低末端接触力，保证机器人与人体安全。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，包括：
获取机器人的各关节角度和关节力矩；
将获取的各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取机器人各关节的外力矩；
将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中，获取机器人的末端接触力；
根据机器人的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞；
当判断发生碰撞时，计算发生碰撞时的关节角度伺服误差，将发生碰撞时的关节角度伺服误差代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制。
第二方面，提出了一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制系统，包括：
数据获取模块，用于获取机器人的各关节角度和关节力矩；
外力矩估计模块，用于将获取的各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取机器人各关节的外力矩；
力矩/力转换模块，用于将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中，获取机器人的末端接触力；
碰撞判断模块，用于根据机器人的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞；
碰撞响应控制模块，用于当判断发生碰撞时，计算发生碰撞时的关节角度伺服误差，将发生碰撞时的关节角度伺服误差代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制。
第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法所述的步骤。
第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开通过获取机器人的关节角度和关节力矩，实现了对机器人末端接触力的跟踪，进而通过末端接触力判断机器人的末端是否发生碰撞，进而根据是否发生碰撞进行机器人控制，适用于外肢体机器人的控制，有效保证人体安全。
2、本公开在通过末端接触力判断出机器人末端发生碰撞后，通过可变刚度控制律模型获取了所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制，既能保持位置不变，又获得一定柔顺性从而使接触力下降到不产生伤害的水平，不会带来二次碰撞的风险，有效保证了人体安全，适合用来执行碰撞后的响应策略。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例1公开的机器人碰撞响应控制策略；
图2为本公开实施例1公开的机器人碰撞响应控制框图；
图3为本公开实施例1公开的机器人三维仿真模型；
图4为本公开实施例1公开的力矩控制模块框图；
图5为本公开实施例1公开的广义动量观测器算法框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
在该实施例中，公开了一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，包括：
获取机器人的各关节角度和关节力矩；
将获取的各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取机器人各关节的外力矩；
将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中，获取机器人的末端接触力；
根据机器人的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞；
当判断发生碰撞时，计算发生碰撞时的关节角度伺服误差，将发生碰撞时的关节角度伺服误差代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制。
进一步的，通过电机扭矩获取关节力矩；
或，将机器人的关节角度代入机器人的动力学模型中，获取关节力矩。
进一步的，由机器人发生碰撞时的动力学方程和机器人的广义动量，构建动量观测器的动态方程：
进一步的，根据机器人各连杆间的静力传递关系构建末端接触力计算模型：
进一步的，将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中获取与机器人末端碰撞力矩等效的三维接触力矢量；
将三维接触力矢量取模获得机器人的末端接触力。
进一步的，当机器人的末端接触力超过设定安全保护阈值时，判定机器人末端发生碰撞。
进一步的，通过雅克比矩阵和静力平衡原理，构建机器人末端可变刚度控制律模型：
对本实施例公开的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法进行详细说明。
本实施例公开的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，如图1、图2所示，包括：
S1：获取机器人的各关节角度和关节力矩。
在具体实施时，在机器人的实际应用过程中，通过机器人各关节处的电机扭矩获得机器人的各关节力矩τj，通过机器人各关节处的编码器测量获得机器人的各关节角度θ，对位置矢量展开求导和求二阶导可分别获得速度矢量
和加速度矢量
当在机器人设计阶段时，通过构建机器人动力学模型，将设定的机器人的关节角度输入机器人的动力学模型中，获取机器人的各关节力矩。
构建机器人动力学模型的具体过程为：
在多体动力学仿真软件中导入设计的机器人模型，并根据机器人各个关节间约束关系建立约束，从而搭建出如图3所示的机器人三维仿真模型。
搭建机器人三维仿真模型的过程为：基于涉及的机器人模型结构分析建立D-H坐标系，使用Denavit-Hartenberg方法确定机器人机械臂的D-H参数，推导获得变换矩阵T,该变换矩阵T包括旋转矩阵R和平移矩阵P，并建立机械臂雅可比矩阵J。
根据构建的机器人三维仿真模型进行动力学公式推导，获得机器人动力学模型：
其中，θ表示关节角度，
表示关节角速度，
表示关节角加速度，τj表示关节力矩，M(θ)表示机械臂质量矩阵，
表示离心力与哥式力矢量，G(θ)表示重力矢量。
使用PID控制设计如图4所示的力矩控制模块，力矩控制模块中存储动量观测器的动态方程，力矩控制模块的输入为规划的关节角度θd与机器人的实际关节角度θ之间的差值θe，输出关节力矩τj，通过关节力矩τj对关节进行控制，使得机器人能够沿着目标轨迹进行运动。
S2：将获取的各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取机器人各关节的外力矩。
在具体实施时，对位置矢量即关节角度θ进行二次求导会进一步的放大位置矢量θ的噪声，从而严重影响最终外力矩的估算精度，为了避免使用加速度
信息，通过在外力矩估计模块中构建广义的动量观测器的动态方程实现外力矩估计，其中，动量观测器如图5所示，动量观测器的动态方程根据机器人发生碰撞的动力学模型和机器人的广义动量构建获得，具体为：
机器人发生碰撞的动力学模型为机器人运行过程中与外界事物发生碰撞时的动力学模型，具体为：
其中，τext表示外力矩。
机器人的广义动量为：
对机器人的广义动量进行求导获得：
根据机器人特性，
矩阵具有反对称性，可得：
其中，
设定机器人各关节的外力矩观测值为r，构造动量观测器的动态方程如下:
其中，K0为动量观测器的调节系数。
在理想条件下，
且
将
和
的表达式代入式
得：
对上式进行拉普拉斯变换得：
在理想条件下，当K0趋近于无穷时，观测值r约等于外力矩τext的值。
故将各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取的机器人各外力矩的观测值r即为机器人各关节的外力矩τext。
S3：将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中，获取机器人的末端接触力。
在具体实施时，机器人在理想状态工作环境中，没有碰撞发生时动量观测器输出的外力矩观测值为零。若碰撞发生在机器人的第i个连杆上，动量观测器的输出向量为：
τext＝[τext1,τext2,…τexti,0,0,…,0]
τext的最后n-i项都是零，据此判断碰撞发生在机器人的哪个连杆上，但无法仅通过机器人的动力学性质计算出具体碰撞发生位置。
假设发生碰撞后机器人系统保持静态平衡，对于发生在机器人末端的碰撞，根据机器人各连杆间的静力传递关系构建力矩/力转换模块中的末端接触力计算模型，为：
其中ifi表示坐标系{i}下施加在连杆i上的力，ini表示坐标系{i}下施加在连杆i上的力矩，τi表示施加在关节i上的外力矩，
表示坐标系{i+1}相对与坐标系{i}的旋转矩阵，iPi+1表示坐标系{i+1}相对与坐标系{i}的平移矩阵，旋转矩阵和平移矩阵通过关节角度获得。
将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中获取与机器人末端碰撞力矩等效的三维接触力矢量；将三维接触力矢量取模获得机器人的末端接触力。
S4：根据机器人的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞。
在具体实施时，设定机器人的安全保护阈值，当机器人的末端接触力超过设定的安全保护阈值时，判定机器人末端发生碰撞。
S5：当判断发生碰撞时，计算发生碰撞时的关节角度伺服误差，将发生碰撞时的关节角度伺服误差代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制。
在具体实施时，当判断机器人末端发生碰撞时，通过碰撞响应控制模块对机器人进行控制，迅速降低接触力的大小，从而保障人体和机器人的安全。
其中，通过雅克比矩阵和静力平衡原理，获得碰撞响应控制模块中的机器人末端可变刚度控制律模型。
获取机器人末端可变刚度控制律模型的具体过程为：
为使机器人的末端执行器具有弹簧的刚性特性，根据雅可比矩阵的定义有：
F＝KpxΔX＝KpxJ(θ)Δθ
其中，Kpx表示3×3的对角阵，对角线上的元素表示刚度，ΔX表示在X方向上的微小移动距离，J(θ)指的是在末端坐标系下写出的雅可比矩阵，Δθ表示关节角的微小变化，Δθ＝θd-θ,θd为规划的关节角度，θ为机器人的实际关节角度。
又根据静力平衡原理有：τ＝JT(θ)F。
得到关节力矩是关节角的微小变化的函数：τ＝JT(θ)KpxJ(θ)Δθ。
从而使机械臂末端执行器获得弹簧的特性。
使用PD控制的控制律：
其中，Kp和Kd表示增益，是常数对角阵；E表示关节角度伺服误差，E＝θd-θ，θd为规划的关节角度，θ为机器人的实际关节角度，获得机器人末端可变刚度控制律模型如下:
其中，Kpx表示笛卡尔空间中末端执行器的期望刚度，通过调节Kpx对角线上的元素来改变机械臂末端的刚度。
将发生碰撞时的关节角度伺服误差E代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩τ，通过所需的末端关节力矩τ对机器人末端进行控制。
本公开通过获取机器人的关节角度和关节力矩，实现了对机器人末端接触力的跟踪，进而通过末端接触力判断机器人的末端是否发生碰撞，根据是否发生碰撞进行机器人控制，通过末端接触力判断是否发生碰撞，更适用于外肢体机器人的控制，有效保证人体安全。
本公开在通过末端接触力判断出机器人末端发生碰撞后，通过可变刚度控制律模型获取了所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制，既能保持机器人末端位置不变，又获得一定柔顺性从而使接触力下降到不对机器人或人体产生伤害的水平，有效保证了人体安全，不会带来二次碰撞的风险，适合用来执行碰撞后的响应策略。
实施例2
在该实施例中，公开了一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制系统，包括：
数据获取模块，用于获取机器人的各关节角度和关节力矩；
外力矩估计模块，用于将获取的各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取机器人各关节的外力矩；
力矩/力转换模块，用于将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中，获取机器人的末端接触力；
碰撞判断模块，用于根据机器人的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞；
碰撞响应控制模块，用于当判断发生碰撞时，计算发生碰撞时的关节角度伺服误差，将发生碰撞时的关节角度伺服误差代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制。
实施例3
在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法所述的步骤。
实施例4
在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法所述的步骤。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，其特征在于，包括：
获取机器人的各关节角度和关节力矩；
将获取的各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取机器人各关节的外力矩；
将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中，获取机器人的末端接触力；
根据机器人的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞；
当判断发生碰撞时，计算发生碰撞时的关节角度伺服误差，将发生碰撞时的关节角度伺服误差代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制。
2.如权利要求1所述的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，其特征在于，通过电机扭矩获取关节力矩；
或，将机器人的关节角度代入机器人的动力学模型中，获取关节力矩。
3.如权利要求1所述的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，其特征在于，由机器人发生碰撞时的动力学方程和机器人的广义动量，构建动量观测器的动态方程。
4.如权利要求1所述的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，其特征在于，根据机器人各连杆间的静力传递关系构建末端接触力计算模型。
5.如权利要求1所述的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，其特征在于，将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中获取与机器人末端碰撞力矩等效的三维接触力矢量；
将三维接触力矢量取模获得机器人的末端接触力。
6.如权利要求1所述的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，其特征在于，当机器人的末端接触力超过设定安全保护阈值时，判定机器人末端发生碰撞。
7.如权利要求1所述的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法，其特征在于，通过雅克比矩阵和静力平衡原理，构建机器人末端可变刚度控制律模型。
8.一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取机器人的各关节角度和关节力矩；
外力矩估计模块，用于将获取的各关节角度和关节力矩代入动量观测器的动态方程中，获取机器人各关节的外力矩；
力矩/力转换模块，用于将各关节角度和外力矩代入末端接触力计算模型中，获取机器人的末端接触力；
碰撞判断模块，用于根据机器人的末端接触力判断机器人末端是否发生碰撞；
碰撞响应控制模块，用于当判断发生碰撞时，计算发生碰撞时的关节角度伺服误差，将发生碰撞时的关节角度伺服误差代入机器人末端可变刚度控制律模型中，获得所需的末端关节力矩，通过所需的末端关节力矩对机器人末端进行控制。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的一种可穿戴外肢体机器人碰撞响应控制方法的步骤。
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