[发明专利]人机相互作用机械臂的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械臂的一种控制方法。

背景技术

传统的工业机器人大多是在已建模的环境中重复相同的操作任务。如今，越来越多的机器人开始应用于医疗、家庭服务、空间探索等未精确建模环境中。相对于传统机器人，这些机器人并不需要很高的速度，但与人类和环境稳定、柔顺和安全的共存是其首要考虑的问题。

机械臂的安全操作从设计上可以分为三类。一类是结构设计，包括减轻机器人的惯性和重量并引进一些柔顺部件，例如柔性关节，弹性连杆和机械阻尼调节器等，这样机械臂在接触物体时能够保证一定的柔性，但并不能避免与环境发生碰撞而损坏对象，而过于柔性的设计，将使机械臂在跟踪效果和响应速度上不够理想；第二类是采用力矩传感器，如此就能快速检测到机器人本身的受力并控制其与环境的接触力，现行的机械臂大多利用力矩传感器检测到碰撞力后，通过紧急制动保护机器人，然而这种方法对于动态环境并不适宜，当人继续撞击机械臂时，将会对人产生伤害；第三类是采用实时的轨迹规划，传统的机械臂路径规划都是离线计算得到，没有融入当前机械臂的状态，这些规划对于已建模的环境适用，但对于未知环境容易引起机械臂与环境间的碰撞。

发明内容

本发明提供一种人机相互作用机械臂的控制方法，以解决现有机械手在与人类紧密接触工作时不能准确的对工作环境建模而造成对人类产生误伤害的问题。人机相互作用机械臂的控制方法由以下步骤完成：一、通过CAD建模准确计算出机械臂的运动学和动力学参数；二、通过基于位置的轨迹规划给定机械臂的末端期望轨迹x_d、给定机械臂末端的期望接触力F_cd和机械臂的阻抗参数；三、机械臂控制器通过关节传感器实时采集关节的位置q、速度和加速度并利用正运动学将关节的位置q、速度和加速度转换为笛卡尔位置x、速度和加速度且根据笛卡尔阻抗控制公式计算预接触力四、通过基于力跟踪的轨迹规划计算具有笛卡尔力反馈的实时轨迹规划x_pg；五、机械臂控制器通过关节传感器实时采集关节扭矩τ，且通过笛卡尔阻抗控制计算出期望扭矩τ_r；六、通过电机动态性补偿计算机械臂关节的输入扭矩τ_m。

本发明具有以下有益效果：本发明可有效的检测来自机械臂各个关节的力，当接触对象时，机械臂能够柔顺的接触；当碰撞发生时，机械臂能够保证各方向的接触力在期望力范围内，从而保证机械臂和操作对象的安全，本发明的优点是适用于具有位置和力感知的串联机器人系统，控制结构简单，便于调节，控制精度高，可以进行人机交互的医疗、家庭作业以及深空探测等未知环境领域。

附图说明

图1是机械臂的控制框图，图2是四自由度机械臂在躲避障碍物时的X-Y坐标位置跟踪曲线图，其中实线代表机械臂的实际位置，虚线代表离线期望位置，点滑线代表实时规划的位置，点线代表障碍物，图3是四自由度机械臂在躲避障碍物时的X-Y方向受力曲线图，其中实线代表X方向的受力，虚线代表Y方向的受力。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由以下步骤完成：一、通过CAD建模准确计算出机械臂的运动学和动力学参数；二、通过基于位置的轨迹规划给定机械臂的末端期望轨迹x_d、给定机械臂末端的期望接触力F_cd和机械臂的阻抗参数；三、机械臂控制器通过关节传感器实时采集关节的位置q、速度和加速度并利用正运动学将关节的位置q、速度和加速度转换为笛卡尔位置x、速度和加速度且根据笛卡尔阻抗控制公式计算预接触力四、通过基于力跟踪的轨迹规划计算具有笛卡尔力反馈的实时轨迹规划x_pg；五、机械臂控制器通过关节传感器实时采集关节扭矩τ，且通过笛卡尔阻抗控制计算出期望扭矩τ_r；六、通过电机动态性补偿计算机械臂关节的输入扭矩τ_m。机器人运动碰到障碍即可柔顺的接触障碍物，并自动产生新的轨迹x_pg。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在步骤三中的笛卡尔阻抗控制公式为：