【摘 要】
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移动机械臂人机柔性交互技术可应用于医疗康复、家居服务和人机协同作业等,具有重要研究意义。实现这一技术需要提升人机交互的柔顺性,同时协调移动平台和机械臂的运动。本文针对有行走障碍人群进行辅助移动的应用场景,对移动机械臂的人机柔性交互控制技术进行研究,具体如下:针对移动机械臂主动寻找操作者的情景,提出了基于两点预瞄的无人车路径跟踪控制方法。该方法利用最优曲率模型处理远处预瞄点处的横向距离误差和航向角误
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“面向月球探测的移动机械臂变时延多边动力学遥操作技术研究”,批准号:52175007;
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移动机械臂人机柔性交互技术可应用于医疗康复、家居服务和人机协同作业等,具有重要研究意义。实现这一技术需要提升人机交互的柔顺性,同时协调移动平台和机械臂的运动。本文针对有行走障碍人群进行辅助移动的应用场景,对移动机械臂的人机柔性交互控制技术进行研究,具体如下:针对移动机械臂主动寻找操作者的情景,提出了基于两点预瞄的无人车路径跟踪控制方法。该方法利用最优曲率模型处理远处预瞄点处的横向距离误差和航向角误差,利用滑模控制处理近处预瞄点的跟踪误差,并对二者的计算结果进行加权求和来控制车辆的横向运动;根据远处预瞄点道路信息调整纵向车速,并考虑车辆横纵向运动的耦合综合控制车辆运动。仿真结果表明,该方法综合性能优于单点预瞄控制方法。为了提升人机交互的柔顺性,提出了一种柔性交互控制方法。该方法基于模糊理论,根据交互力和交互速度来预测操作者加速或减速等运动意图,调节导纳模型参数来提高交互系统的柔顺性,并维持系统具有良好的动态响应特性;然后利用状态观测器预测交互过程中因机械臂自身惯性产生的阻力,并对机械臂进行前馈速度补偿,以减小机械臂惯性阻力。与其他方法进行实验对比发现,本文提出的方法可以根据人的运动意图正确调整导纳参数,使操作者可以更小的力产生更大的运动速度,有更好的柔顺性;状态观测器预测结果准确,前馈补偿器可以有效减小机械臂惯性阻力,交互系统也能保持稳定。为使移动机械臂在与人交互时可以协调自身运动,对柔性交互控制方法进一步改进,以适应移动机械臂的运动学特性和辅助行走的需求。然后基于投影梯度法,以令机械臂远离奇异、提高机械臂在竖直方向的施力能力和减小机械臂自身重力影响为优化目标,设计零空间控制律,使其在不影响末端执行器状态的同时优化自身位形。为使移动机械臂与人交互的同时可以保持末端执行器姿态不变,设计了基于四元数的末端执行器姿态控制律,构建出用于辅助行走的移动机械臂柔性交互系统,通过仿真验证了零空间控制和姿态控制方法。搭建了移动机械臂辅助行走实验平台,对零空间控制和柔性交互方法进行实验测试。实验结果表明,本文提出的零空间控制方法可以在不影响末端执行器运动的同时优化移动机械臂位形,提高机械臂在竖直方向施力能力,并使机械臂尽可能远离奇异,减小机械臂自身重力的影响;本文提出的移动机械臂柔性交互方法在竖直方向上可以为操作者提供稳定支撑,在水平方向上仅需较小的交互力就可产生正确反映操作者运动意图的速度,无论是简单力交互还是复杂的辅助行走,都能在与人交互的同时维持自身位形最优,并维持系统稳定。本文研究成果可以应用于机器人助老护理、医院服务等场景,为移动机械臂柔性力交互与辅助行走等提供技术参考以及解决方案。
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