[发明专利]面向上肢穿戴机器人的人机博弈控制方法及系统

说明书

本发明提供了一种面向上肢穿戴机器人的人机博弈控制方法及系统，将使用者和机器人共同完成的复杂或多进程任务分解为多个基本任务，建立人机针对各个基本任务的能力矩阵和任务匹配矩阵进行任务分配。将任务分配的结果输入基于博弈论的人机零和或者非零和游戏数学模型中，计算机器人在人机末端匹配的最佳刚度，随后通过机器人阻抗模型，计算出机器人末端的参考轨迹，最后通过自适应控制器输出控制力矩实现参考轨迹跟踪。本发明的上肢穿戴机器人控制方法可以在人机合作的情景下实现更好的柔顺控制，感知使用者的运动意图，最小化使用者的输入力。

技术领域

本发明涉及智能机器人智能控制技术领域.具体地，涉及面向上肢穿戴机器人的人机博弈控制方法及系统。

背景技术

上肢穿戴机器人共享控制是一个新兴的研究领域，在机器人康复、搜索救援、远程操作等方面有着广泛的应用。人与机器人具有互补的能力，在许多情况下，他们的协作是必要的。传统的处理人与机器人的物理交互的方法通常涉及到机器人通过阻抗或导纳控制器顺从人的运动，明确定位这些角色的理由是，人类拥有更好的认知能力，如态势感知和决策技能，而机器人拥有更好的身体能力，如精确性和力量。然而，这种人为领导者，机器人为跟随者的固定控制模式要求人始终领导任务和驱动机器人意味着让人不断地承受高的认知负荷，这会在长时间的操作中降低性能。因此迫切需要一种上肢穿戴机器人的智能控制方法，使得人和机器人根据人的运动意图在领导者和追随者之间实时进行切换来满足更复杂控制情景的需要。

例如协同焊接，机器人能够根据对工件、环境和过程的粗略了解，按照指定的期望轨迹自主地执行任务，而人类可以为机器人提供任务中的纠正行动、微调控制和情景指导。另一个例子是避障，当机器人感知到即将发生的碰撞或违反安全约束时，它可以很好地控制并自动修改人类的意图动作。

专利文献CN110652423A(申请号：201910968787.3)公开了一种带有精确力控制的可穿戴式上肢康复训练机器人，包括可穿戴式腰带、多自由度机械臂，以及控制盒；机器人通过腰带穿戴在人的腰部，由主动执行器驱动，能够实现左、右肩关节内收/外展/前屈/后伸以及左、右肘关节前屈/后伸这些自由度的主被动康复训练。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向上肢穿戴机器人的人机博弈控制方法及系统。

根据本发明提供的一种面向上肢穿戴机器人的人机博弈控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：在任务进行时利用末端手柄交互力传感器，实时记录使用者在运动时上肢的端点力数据，建立使用者和上肢穿戴机器人各个基本任务的能力矩阵和任务匹配矩阵，每一个基本任务都根据人和上肢穿戴机器人的能力矩阵和任务匹配矩阵进行任务分配；

步骤S2：将任务分配的结果输入基于博弈论的人机零和游戏数学模型中，计算出机器人的最佳刚度值；

步骤S3：将机器人刚度值和实时端点力输入机器人阻抗模型，计算出机器人末端在笛卡尔空间的参考轨迹；

步骤S4：将笛卡尔空间的参考轨迹通过机器人逆运动学计算出在关节空间的参考轨迹，建立机器人的动力学模型，并确定模型参数，建立李雅普诺夫方程，推导得到自适应控制器和自适应率。

优选地，所述步骤S1：

使用者和机器人共同完成的任何复杂或多进程任务都分解为多个简单的基本任务Υ＝{Υ₁,Υ₂,…,Υ_n}，Υ₁,Υ₂,…,Υ_n为分解成的n个基本任务，一个任务是由一个四元组组合而成任务匹配矩阵Υ_i＝(W_i,S_i,N_i)，S_i为某项基本任务的状态，N_i代表人或者机器人的能力矩阵，W_i代表能力需求向量；