[发明专利]一种基于意图识别和阻抗匹配的人机柔性交互系统及方法

权利要求书

1.一种基于意图识别和阻抗匹配的人机柔性交互系统，其特征在于：所述系统主要由肌肉电信号传感器（1），位姿捕捉模块（2），机械臂（3），计算机主机（4）以及力传感器（5）组成；所述机械臂（3）是人机交互的主体，作为与操作者交互的对象，与所述计算机主机（4）相连接；所述肌肉电信号传感器（1）佩戴于操作者的手臂上，用于采集操作者手臂的表面肌电信号，通过蓝牙以无线的方式与计算机主机（4）相连；所述位姿捕捉模块（2）佩戴于操作者手臂上，用于采集操作者上臂与前臂的位姿信息，以无线的方式与计算机主机（4）进行通讯；所述力传感器（5）安装在机械臂（3）末端，用于操作者与机械臂（3）之间交互力的采集。

2.根据权利要求1所述的人机柔性交互系统，其特征在于：所述机械臂（3）可以是具有任意形式的具有三自由度以上的机械臂机器人，可以在力矩控制模式和位置控制模式下工作，同时可以接收计算机主机（4）发出的控制指令并作出相应响应且响应速度少于1毫秒。

3.根据权利要求1所述的人机柔性交互系统，其特征在于：所述肌肉电信号传感器（1）可便捷地佩戴于操作者的手臂，具有多通道肌电信号采集功能，且运行频率大于200Hz。

4.根据权利要求1所述的人机柔性交互系统，其特征在于：所述位姿捕捉模块（2）可便捷地佩戴于操作者的手臂且运行频率大于200Hz，所述位姿捕捉模块（2）可以是但不限于可穿戴式设备和光学跟踪设备。

5.根据权利要求1所述的人机柔性交互系统，其特征在于：所述力传感器（5）安装于机械臂（3）的末端，可以是任意形式的具有三轴以上的运行频率大于1000Hz且精度可达0.1N的力传感器。

6.一种基于意图识别和阻抗匹配的人机柔性交互方法，其特征在于：

系统启动人机交互模式后，操作者的肌电信号和位姿信息分别通过肌肉电信号传感器（1）和位姿捕捉模块（2）实时地与计算机主机（4）通讯；根据所得操作者信息，通过阻抗参数估计算法根据操作者的肌肉活跃水平以及手臂位姿对操作者的阻抗参数进行实时的估计，同时根据所得肌电信息估计的疲劳度，对阻抗匹配过程中的权重进行调整；在阻抗匹配完成后，机器人可以获得交互力与末端位移的输入输出关系，并根据逆运动学将其映射到关节空间，最后根据所设计的神经网络控制器对所得期望轨迹进行有效的跟踪，实现有效的柔性人机交互。

7.根据权利要求6所述的人机柔性交互方法，其特征在于：在人机交互开始前，需要对基础阻抗参数进行离线随机扰动实验测量，根据所记录的交互力与末端位移对基础阻抗参数进行拟合。

8.根据权利要求6所述的人机柔性交互方法，其特征在于：在人机交互时，利用肌电信号提取计算所得肌肉活跃水平以及位姿捕捉模块（2）所得手臂位姿信息对操作者阻抗参数进行估计并与机械臂（3）的导纳模型进行匹配。

9.根据权利要求6所述的人机柔性交互方法，其特征在于：根据操作者肌电信息所提取的疲劳程度作为人机阻抗匹配中的权重对交互过程中的操作者和机器人匹配进行在线调整。

10.根据权利要求6所述的人机柔性交互方法，其特征在于：机械臂（3）的控制器能够对未知动力学进行有效地补偿，使得跟踪误差得以有效地减少。