[发明专利]基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教系统与方法

权利要求书

1.一种基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教方法，其特征在于，包括下述步骤：

定义手臂末端刚度椭球的各个主轴方向，选取对应手臂末端刚度椭球各个主轴方向的多对拮抗肌，工控机从肌电手环获取手臂上选取的多对拮抗肌的原始肌电信号，对原始肌电信号进行整流和滤波，得到肌电信号包络；

获取肌电信号估计出示教者的手臂末端刚度椭球，调整离散导纳控制器的参数以适应示教者手臂末端刚度椭球；

工控机从六维力传感器获取作用在拖动工具上的六维力，运行离散导纳控制器，计算出当前机器人末端期望速度和位置；

所述工控机从六维力传感器获取作用在拖动工具上的六维力，运行离散导纳控制器，计算出当前机器人末端期望速度和位置，具体计算公式为：

C_j(k)＝min(A_2j-1(k),_2j(k))

其中，x₀表示机器人末端初始期望位置，和x_d(k)分别为由离散导纳控制器计算出的当前机器人末端期望加速度、速度和位置，F_ext(k)表示作用在拖动工具上的六维力，T是控制周期，M_d为离散导纳控制器中的质量参数，k代表当前时间步，和分别是机器人末端各方向的刚度最大值和最小值，ρ表示尺度因子，K_d(k)、D_d(k)分别表示离散导纳控制器的刚度参数和阻尼参数，C_j(k)表示手臂末端刚度椭球各个主轴的长度，表示对应肌肉的最大主动收缩值，表示肌电信号包络；

根据冗余机械臂的零空间算法，定义控制机器人的主任务为跟踪离散导纳控制器输出的期望位置，定义控制机器人的次任务为跟踪期望速度可操作性椭球；

将机器人末端的位置误差加入位置跟踪控制器中，得到主任务控制量；

定义机器人的期望速度可操作性椭球对应矩阵，定义机器人的当前速度可操作性椭球对应矩阵；

构建优化函数为机器人的期望速度可操作性椭球对应矩阵和当前速度可操作性椭球对应矩阵的欧式距离，基于优化函数得到次任务控制量；

组合主任务控制量和次任务控制量得到期望关节角速度，通过积分计算得到机器人的当前期望关节角度；

所述组合主任务控制量和次任务控制量得到组合控制量，具体计算公式表示为：

其中，表示主任务控制量，表示次任务控制量，G_x为对称正定矩阵，n为机器人的自由度，m为任务空间的自由度，和x_d分别为由离散导纳控制器计算出的当前机器人末端期望速度和位置，J表示当前的雅可比矩阵，x表示机器人末端当前位置，I表示单位矩阵，为优化函数的梯度向量，α为根据次任务要求设计的常数；

工控机将机器人的当前期望关节角度通过位置伺服接口发送给机器人，完成一个周期对机器人的控制。

2.根据权利要求1所述的基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教方法，其特征在于，所述对原始肌电信号进行整流和滤波，得到肌电信号包络，具体计算公式为：

其中，表示肌电信号包络，E_i(k)表示原始肌电信号，k表示当前采样时刻，w为滤波滑动窗口的大小。

3.根据权利要求1所述的基于肌电信号和运动学冗余的机器人拖动示教方法，其特征在于，所述将机器人末端的位置误差加入位置跟踪控制器中，得到主任务控制量，具体步骤包括：

主任务控制量为：

其中，G_x为对称正定矩阵，n为机器人的自由度，m为任务空间的自由度，和x_d分别为由离散导纳控制器计算出的当前机器人末端期望速度和位置，J表示当前的雅可比矩阵，x表示机器人末端当前位置，I表示单位矩阵。