1.本发明涉及医护机器人领域，具体涉及一种用于医护机器人的柔顺控制方法。
背景技术：[0002][0003]
为了解决医护人员的人口不足问题，研究人员开始逐渐研究如何通过机器人来完成一些护士日常需要执行的动作，如：换输液瓶、递水瓶、帮忙开门等。目前的医护机器人一般由移动底盘与机身所携带的机械臂所组成，底盘负责移动，机械臂负责与环境进行交互。然而一般的机械臂在进行交互动作，如通过末端执行器进行物品抓取时，都未曾考虑到机械臂抓取物体时的柔顺性，都是在通过机械臂自身所带的刚性来完成交互动作，传统的控制方法使得抓取物体时所使用的力是恒定的，容易造成机械臂损坏以及危害患者的生命安全。然而在护理机器人照顾患者时需要考虑到其执行动作时的安全性与鲁棒性。因此，本发明基于此提出了一种用于医护机器人的柔顺控制方法。
技术实现要素：[0004]
本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种用于医护机器人的柔顺控制方法，该方法在保证医护机器人在执行基础抓取任务的同时，使得医护机器人在抓取任务过程中具有一定的柔顺性，来保护待抓取物体的完整性以及患者的安全性。
[0005]
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于医护机器人的柔顺控制方法，包括以下步骤：
[0006]
步骤1：依据期望的机器人末端执行器的位移值与环境的实际作用力以及设定的导纳参数，通过外环导纳控制将外部接触力转化为位置修正量xc(t)；
[0007]
步骤2：采用滑膜控制来构建内环控制方法得到对应的内环反馈控制力矩τ，并将其输入给电机系统进行控制，实现医护机器人关节的柔顺控制；
[0008]
步骤1具体如下：
[0009]
s1:根据患者实际需求使得医护机器人通过运动规划算法规划出末端执行器的目标位置；
[0010]
s2:在医护机器人到达目标位置时与环境进行物理接触获取末端实时力，将其与预设的期望力相比得到末端力偏差；
[0011]
s3:将s2中获取到的末端偏差力通过外环导纳控制器进行校正，得到机械臂末端的位置修正，并获取到新的目标位置。
[0012]
进一步的，步骤s3所述的外环导纳控制器具体包括：
[0013]
s3.1:依据期望的机器人末端执行器的位移值与环境的实际作用力以及设定的导纳参数，通过外环导纳控制将外部接触力矩转化为位置修正量xc(t)，并以此构建导纳控制的模型：
[0014][0015]
其中sm、dm、km分别表示导纳控制模型的惯性对角矩阵、阻尼对角矩阵以及刚度正定对交矩阵；fj(t)、fi(t)、fe(t)分别表示在笛卡尔坐标系中的医护机器人末端执行器所获得的期望交互力、实际交互力以及实际与期望的偏差力； xi(t)、x(t)以及xc(t)分别表示笛卡尔坐标系中医护机器人末端执行器的期望运动轨迹、目标控制轨迹以及轨迹应调量；分别表示轨迹应调整量对时间的二阶导与一阶导。
[0016]
s3.2:在频域中使用拉普拉斯变换重新描述式(1)可得：
[0017][0018]
通过步骤1中的外环导纳控制能够建立出力与位移的动态关系，且能够通过改变末端执行器的位移量来限制机器人与物体交互时的接触力在期望力周围波动，然而导纳控制无法实现对运动目标的轨迹跟踪，因此本发明通过选择模糊滑膜控制来构建内环控制方法实现对机械臂末端执行器位移的跟踪。
[0019]
步骤2具体如下：
[0020]
t1:将医护机器人获取到的当前末端位置信息与s3中获取到的新的位置信息一同传入内环滑膜控制器，得到医护机器人末端的控制力矩；
[0021]
t2：将医护机器人末端控制力矩发送给电机系统，实现医护机器人的柔顺控制。
[0022]
进一步的，步骤t1所述的内环滑模控制具体包括：
[0023]
t1.1:设计滑模控制模块：
[0024]
定义各滑动模块轨迹误差e(t)为：
[0025]
e(t)＝k(ti(t)-t(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0026]
其中t为实际的返回轨迹，ti为期望的控制轨迹，k为比例系数。
[0027]
t1.2:定义滑模切换函数h(t)为：
[0028][0029]
其中q为比例正定对角矩阵。
[0030]
t1.3:通过符号函数sgn()设计滑模控制律其中m为切换函数的增益正定对角矩阵，其元素值通过模糊控制器进行调整，可得：
[0031][0032]
t1.4:因此，上式即为本发明所设计的滑模控制器，通过机器人拉格朗日动力学方程一般表现形式(6)将其等价变形为加速度与力矩的直接表现形式(7)。
[0033][0034][0035]
其中，t
l
分别为笛卡尔坐标系中广义坐标的广义加速度，速度以及位置，jm、jc、jg分别表示机器人的惯性力矩、离心力矩以及重力矩，jd、jk、 f
l
、e
l
分别表示机器人
的雅克比矩阵、电机力矩转换矩阵、机器人末端执行器各坐标轴分力以及电机驱动力矩，其中τ1、τ2、τ2分别为电机空间中的三维力矩。
[0036]
t1.5:令t
l
等于t，将(7)代入(5)中可得：
[0037][0038]
t1.6:经过等式变换，最终可得滑模控制率的最终待控制关节力矩与加速度的表现形式为：
[0039][0040]
最终，通过滑模控制率输出控制力矩，实现对医护机器人的柔顺控制。
[0041]
通过上述柔顺控制器的构建，医护机器人在与患者进行接触时能够以末端力矩为输入通过外环控制转化为位置修正量，再通过内环滑膜控制实现末端执行器位移的跟踪，以控制力矩为输出，通过医护机器人力矩控制控制机器人各个关节的运动，在接触过程中医护机器人能够明显的体现出柔顺性较强的特性，具体体现为运动过程中碰到物体时会立即停下，待障碍物消失，恢复运动。
[0042]
本发明的有益效果表现在：本发明所提出的柔顺控制方法，能够有效在医护机器人护理病人时，与病人进行柔性的物理接触或者抓取外界柔性物体时，具有一定的柔顺性，保证医护机器人与人接触时的安全性与鲁棒性，防止对病人以及机械臂造成伤害与破坏。
附图说明
[0043]
图1是本发明方法的流程图；
[0044]
图2为本发明方法的柔顺控制整体运作框图。
具体实施方式
[0045]
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
[0046]
本发明用于医护机器人的柔顺控制方法，包括以下步骤：
[0047]
步骤1：依据期望的机器人末端执行器的位移值与环境的实际作用力以及设定的导纳参数，通过外环导纳控制将外部接触力转化为位置修正量xc(t)；
[0048]
步骤2：采用滑膜控制来构建内环控制方法得到对应的内环反馈控制力矩τ，并将其输入给电机系统进行控制，实现医护机器人关节的柔顺控制。
[0049]
进一步的，结合图1，步骤1的具体步骤为：
[0050]
s1:根据需求使得医护机器人通过rrt算法规划出下一时刻其末端执行器的目标位置；
[0051]
s2:根据s1中得到的运动轨迹规划，通过机器人的力矩控制，对轨迹进行插补，使得医护机器人的末端执行器到达目标位置，通过末端力传感器获取到的实时力与预设期望力相比获得力偏差；
[0052]
s3:将s2中获得的偏差力通过外环导纳控制器进行校正，得到机械臂末端的位置修正，并获取到新的目标位置；
[0053]
再进一步的，结合图2，步骤s3所述的外环导纳控制器具体包括：
[0054]
s3.1:依据期望的机器人末端执行器的位移值与环境的实际作用力以及设定的导纳参数，通过外环导纳控制将外部接触力矩转化为位置修正量xc(t)，并以此构建导纳控制的模型：
[0055][0056]
其中sm、dm、km分别表示导纳控制模型的惯性对角矩阵、阻尼对角矩阵以及刚度正定对交矩阵；fj(t)、fi(t)、fe(t)分别表示在笛卡尔坐标系中的医护机器人末端执行器所获得的期望交互力、实际交互力以及实际与期望的偏差力； xi(t)、x(t)以及xc(t)分别表示笛卡尔坐标系中医护机器人末端执行器的期望运动轨迹、目标控制轨迹以及轨迹应调量；分别表示轨迹应调整量对时间的二阶导与一阶导。
[0057]
s3.2在频域中使用拉普拉斯变换重新描述式(1)可得：
[0058][0059]
进一步的，结合图1，步骤2的具体步骤为：
[0060]
t1:将医护机器人获取到的当前的末端位置信息与s3中获取到的新的位置信息传入内环滑模控制器，得到医护机器人末端的控制力矩；
[0061]
t2:将t1中获取的末端控制力矩发送给电机系统，通过医护机器人的力矩控制实现对医护机器人的柔顺控制。
[0062]
更进一步的，结合图2，步骤t1所述的内环滑模控制器具体包括：
[0063]
通过s3中的外环导纳控制能够建立出力与位移的动态关系，且能够通过改变末端执行器的位移量来限制机器人与物体交互时的接触力在期望力周围波动，然而导纳控制无法实现对运动目标的轨迹跟踪，因此本发明通过选择滑膜控制来构建内环控制方法实现对机械臂末端执行器位移的跟踪。
[0064]
t1.1:滑模控制模块设计：
[0065]
定义各滑动模块轨迹误差e(t)为：
[0066]
e(t)＝k(ti(t)-t(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0067]
其中t为实际的返回轨迹，ti为期望的控制轨迹，k为比例系数。
[0068]
t1.2:定义滑模切换函数h(t)为：
[0069][0070]
其中q为比例正定对角矩阵。
[0071]
t1.3:通过符号函数sgn()设计滑模控制律其中m为切换函数的增益正定对角矩阵，其元素值通过模糊控制器进行调整，可得：
[0072]
[0073]
t1.4:因此，上式即为本发明所设计的滑模控制器，通过机器人拉格朗日动力学方程一般表现形式(6)将其等价变形为加速度与力矩的直接表现形式(7)。
[0074][0075][0076]
其中，t
l
分别为笛卡尔坐标系中广义坐标的广义加速度，速度以及位置，jm、jc、jg分别表示机器人的惯性力矩、离心力矩以及重力矩，jd、jk、 f
l
、e
l
分别表示机器人的雅克比矩阵、电机力矩转换矩阵、机器人末端执行器各坐标轴分力以及电机驱动力矩，其中
[0077]
t1.5:令t
l
等于t，将(7)代入(5)中可得：
[0078][0079]
t1.6:经过等式变换，最终可得滑模控制率的最终待控制关节力矩与加速度的表现形式为：
[0080][0081]
最终，通过滑模控制率输出控制力矩，实现对医护机器人的柔顺控制。
[0082]
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
技术特征：1.一种用于医护机器人的柔顺控制方法，包括以下步骤：步骤1：依据期望的机器人末端执行器的位移值与环境的实际作用力以及设定的导纳参数，通过外环导纳控制将外部接触力转化为位置修正量x
c
(t)；具体包括：s1:根据患者实际需求使得医护机器人通过运动规划算法规划出末端执行器的目标位置；s2:在医护机器人到达目标位置时与环境进行物理接触获取末端实时力，将其与预设的期望力相比得到末端力偏差；s3:将s2中获取到的末端偏差力通过外环导纳控制器进行校正，得到机械臂末端的位置修正，并获取到新的目标位置；步骤2：采用滑膜控制来构建内环控制方法得到对应的内环反馈控制力矩τ，并将其输入给电机系统进行控制，实现医护机器人关节的柔顺控制；具体包括：t1:将医护机器人获取到的当前末端位置信息与s3中获取到的新的位置信息一同传入内环滑膜控制器，得到医护机器人末端的控制力矩；t2：将医护机器人末端控制力矩发送给电机系统，实现医护机器人的柔顺控制。2.如权利要求1所述的一种用于医护机器人的柔顺控制方法，其特征在于：步骤s3所述的外环导纳控制器具体包括：s3.1:依据期望的机器人末端执行器的位移值与环境的实际作用力以及设定的导纳参数，通过外环导纳控制将外部接触力矩转化为位置修正量x
c
(t)，并以此构建导纳控制的模型：其中s
m
、d
m
、k
m
分别表示导纳控制模型的惯性对角矩阵、阻尼对角矩阵以及刚度正定对交矩阵；f
j
(t)、f
i
(t)、f
e
(t)分别表示在笛卡尔坐标系中的医护机器人末端执行器所获得的期望交互力、实际交互力以及实际与期望的偏差力；x
i
(t)、x(t)以及x
c
(t)分别表示笛卡尔坐标系中医护机器人末端执行器的期望运动轨迹、目标控制轨迹以及轨迹应调量；分别表示轨迹应调整量对时间的二阶导与一阶导；s3.2:在频域中使用拉普拉斯变换重新描述式(1)可得：通过步骤1中的外环导纳控制能够建立出力与位移的动态关系，且能够通过改变末端执行器的位移量来限制机器人与物体交互时的接触力在期望力周围波动，然而导纳控制无法实现对运动目标的轨迹跟踪，因此本发明通过选择模糊滑膜控制来构建内环控制方法实现对机械臂末端执行器位移的跟踪。3.如权利要求1所述的一种用于医护机器人的柔顺控制方法，其特征在于：步骤t1所述的内环滑模控制具体包括：t1.1:设计滑模控制模块：定义各滑动模块轨迹误差e(t)为：
e(t)＝k(t
i
(t)-t(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中t为实际的返回轨迹，t
i
为期望的控制轨迹，k为比例系数；t1.2:定义滑模切换函数h(t)为：其中q为比例正定对角矩阵；t1.3:通过符号函数sgn()设计滑模控制律其中m为切换函数的增益正定对角矩阵，其元素值通过模糊控制器进行调整，可得：t1.4:因此，上式即为本发明所设计的滑模控制器，通过机器人拉格朗日动力学方程一般表现形式(6)将其等价变形为加速度与力矩的直接表现形式(7)；等价变形为加速度与力矩的直接表现形式(7)；其中，t
l
分别为笛卡尔坐标系中广义坐标的广义加速度，速度以及位置，j
m
、j
c
、j
g
分别表示机器人的惯性力矩、离心力矩以及重力矩，j
d
、j
k
、f
l
、e
l
分别表示机器人的雅克比矩阵、电机力矩转换矩阵、机器人末端执行器各坐标轴分力以及电机驱动力矩，其中τ1、τ2、τ2分别为电机空间中的三维力矩；t1.5:令t
l
等于t，将(7)代入(5)中可得：t1.6:经过等式变换，最终可得滑模控制率的最终待控制关节力矩与加速度的表现形式为：最终，通过滑模控制率输出控制力矩，实现对医护机器人的柔顺控制。
技术总结一种用于医护机器人的柔顺控制方法，包括以下步骤：步骤1：依据期望的机器人末端执行器的位移值与环境的实际作用力以及设定的导纳参数，通过外环导纳控制将外部接触力转化为位置修正量X
技术研发人员：付明磊 徐涛 张文安 刘锦元 仇翔 刘安东 杨旭升 史秀纺 周叶剑 吴麒 胡佛
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.04.25
技术公布日：2022/7/5
