[发明专利]一种基于模糊决策的人机共融机械臂控制方法

权利要求书

1.一种基于模糊决策的人机共融机械臂控制方法，其特征在于，采用的自主控制系统包含相机、主端机械手与从端机械臂；控制过程包括以下六个阶段：

(1)环境获取阶段

通过安装在机器人上的相机或布置在工作环境中的相机采集目标物与周围工作空间的实时图像；并经过图像识别技术处理得到目标物位置p_g与障碍物位置p_o，发送给自主控制系统；

(2)自主规划阶段

获取自主控制系统下一步的目标位置；

(3)运动映射阶段

将操作员的输入动作映射到从端机械臂的运动中；主端机械手采集操作员的输入，通过坐标变换关系将其映射到从端机械臂上；

(4)置信度计算阶段

计算自主控制与操作者的置信度，用于融合过程的权重分配；

(5)融合与控制阶段

由置信度计算自主控制和操作者的权重，融合自主控制和操作者的目标位置，得到最终的机械臂目标位置，并控制机械臂到达；

(6)力反馈阶段

操作者在控制机械臂过程中得到自主控制的力反馈，获得自主控制的意图，提高操作者和机械臂的协作性。

2.根据权利要求1所述的基于模糊决策的人机共融机械臂控制方法，其特征在于，自主规划阶段，获取自主控制系统下一步的目标位置具体过程为：

定义目标物的模型为

X(k)＝AX(k+1)+BU(k)+W(k)

Z(k)＝HX(k)+V(k)

其中，X(k)是k时刻物体的状态变量，U(k)是k时刻物体外部输入的控制值，A和B是系统矩阵和输入矩阵，W(k)是过程噪声，Z(k)是k时刻的测量值，H是测量矩阵，V(k)是测量噪声；状态变量X设定为

其中，{x_G，y_G，z_G}^T表示目标物在末端坐标系下的位置，表示目标物在末端坐标系下的线速度，{γ_G，β_G，α_G}^T和表示在末端坐标系下目标物的欧拉角及其角速度；模型的系数矩阵设置为

A＝{a，a，a，a，a，a}

B＝0

H＝diag[1，0，1，0，1，0，1，0，1，0，1，0]

目标物与机械臂末端之间的误差为e＝{e_p，e_q}∈R⁶，e_p和e_q分别为位置误差和姿态误差

e_p＝{x_G，y_G，z_G}^T

通过PID控制器计算自主控制下机械臂的末端速度，通过卡尔曼滤波器得到物体速度估计值作为前馈补偿PID控制器引入的延迟

其中，x＝(p，q)∈R³×SO(3)代表机械臂末端的位置和姿态；为机械臂末端坐标系下自主控制系统的下个目标点，经过坐标变换得到机械臂基坐标系下的下一个目标位置p_r

其中，表示机械臂基坐标系到末端坐标系的变换矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于模糊决策的人机共融机械臂控制方法，其特征在于，自主规划阶段，当目标位置p_r与障碍物接近时，为了避免发生碰撞，采用局部避障策略用于实时运动控制；具体为：

以障碍物为球心定义一个球面，保证目标位置沿球面移动而不触碰障碍物，根据目标位置和障碍物的距离，定义目标重映射函数为

式中，p_o∈R³是障碍物的中心，p_r∈R³是机械臂末端的目标位置，r是内圆的半径，R是外圆的半径。