[发明专利]机器人操作臂的导引操纵系统及其柔顺操纵控制与示教学习方法

说明书

机器人操作臂的导引操纵系统及其柔顺操纵控制与示教学习方法，涉及人机协同作业系统开发领域。为了解决现有人机协同作业系统中操纵手柄固定不能实现全方位操纵的问题，以及缺乏柔顺操纵控制方法和缺乏智能示教学习方法的问题。导引操纵系统包含两个机械接口、一个可转位的操纵手柄以及力传感器、陀螺仪、加速度计等传感器；柔顺控制中以虚拟的弹簧阻尼模型计算操纵的参考运动，并以力控制方法补偿操纵者与机器人之间的不协调量；将操纵过程的系统状态迁移作为训练数据，具有四层结构的深度学习系统用于学习人的操纵运动和力交互过程。人与机器人协同作业能够有机结合人与机器人二者优点，因此在自动装配、打磨等作业中能够在保证作业质量的前提下降低人的劳动强度、提高工作效率，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种人机协同作业的辅助装置和人机协同作业的控制与机器学习方法，涉及人机协同作业系统开发技术领域。

背景技术

工业机器人设计的初衷是为了模拟人臂运动来代替工人的重复劳动，对如码垛、搬运等简单的操作现在的机器人产品已经能够实现自动化作业，但对于例如装配、打磨这样的约束空间内力位混合控制任务，一般的工业机器人尚无法精确地完成这些任务，因此在大多数工厂中仍需工人手持沉重的设备进行装配和打磨作业，工人的劳动强度仍然较高。

对于上述需要在受限空间内与环境进行力交互且被操作物运动轨迹复杂的作业，一种能大大减少工人劳动强度的方式是人机协同作业，即由机器人把持沉重的被操作物，由人操纵导引机器人的运动方向和速度，二者协同完成作业任务。现有的人机协同作业系统可被分为以下三类：

1)指令式的协同作业系统，此类系统一般通过操纵人员在线输入指令来确定机器人接下来要进行的运动，最常见的操纵指令是工业机器人的示教盒发出的运动控制指令，此外还有使用语音接受装置、可穿戴运动采集装置、肌电/脑电装置得到的操纵指令，例如公开日为2019年6月28日，公开号为CN109947066A，申请号为CN201910312459.8的发明专利中公开了一种使用语音交互设备控制夹具开合、设定参数和进行运动控制的协同作业系统。

2)间接力交互的协同作业系统，此类系统操纵者与被操纵的机器人不在同一环境下作业，视觉反馈由操作者肉眼观察或由虚拟现实装置得到，操纵力给定和力觉反馈均由辅助装置实现，此辅助装置上装有力传感器用于采集操纵者的操纵力，作为机器人操作力的给定输入，此外此辅助装置上还装有驱动装置，用于把机器人的实际操作力反馈给操纵者。公开日为2018年9月11日，公开号为CN108519814A，申请号为CN201810234048.7的发明专利中公开了一种间接力交互的协同作业系统，其中的应用陀螺仪、双目相机、激光雷达等传感器构成视觉反馈的采集系统，应用串并联平动转动机构进行操作者和机器人之间的远程力觉交互。

3)直接力交互的协同作业系统，此类系统操纵者与被操纵的机器人处在同一工作环境下，操纵者的操纵力将直接由操纵的手柄经机械结构件传递至机器人夹持的被操作物，相当于操纵者“手把手”地引导机器人进行作业，操纵者可由机械结构件和操纵手柄传导的接触力直接获得操纵过程的力觉反馈。在公开日为2013年10月3日，公开号为WO2013144103，申请号为WO2013EP56321的国际专利中，公开了一种搭载有上述直接力交互系统的机器人操作臂，通过装有力传感器的操纵手柄，操纵人员可以通过固定的手柄对机器人进行导引操纵。

在现有的这三类人机协同作业系统中，指令式的协同操作系统只能实现断续的操纵，且操纵人员无法获得力信息反馈，因此只能完成运动的离线示教；间接力交互的系统能实现操纵力的闭环，但由于力信息在辅助装置中传递的过程受系统延时和控制误差的影响将产生较大失真，不利于需要精确操纵的作业任务；现有的直接力交互协同作业系统虽然可以消除间接力交互中的延迟和失真影响，但把持被操作物的机器人的控制误差仍会对人的操纵产生影响，现有公开的技术文件和学术论文中尚未涉及人直接操纵机器人情况下的柔顺控制方法。