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专利号: 2020104550218
申请人: 南通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 手动工具;轻便机动工具;手动器械的手柄;车间设备;机械手
更新日期:2024-04-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种提高遥操作机器人透明性和稳定性的方法,其特征在于:根据操作者和当前执行的任务进行初步人体行为模型的构建,在主从两端建立相同的人体行为模型,系统采集环境信息直接输入到从端模型并由模型输出主端输出预测值,从端控制器根据主端输出预测值控制机器人与环境进行无通讯时延的交互;在环境参数输出的同时,从端将环境参数通过网络传送给主端并通过主端控制器将环境力反馈给操作者并采集操作者的输出参数与主端输出预测值进行比较,进行人体行为模型的实时更新;

具体操作如下:

首先,建立人体动力学模型和任务模型的初始模型并设置人体动力学模型的初始模型为质点弹簧阻尼模型,任务模型的初始模型为简单的人体的应激反应即在刚性的变化大于设定值的时候人体会下意识停止当前动作;人体动力学的初始模型和任务模型的初始模型结合,构成人体行为的初始模型载入遥操作机器人系统的控制器;主端控制器通过信息采集模块采集操作者手部的位移和速度信息;从端控制器通过采集模块采集的力信息和音视频信息;主从端控制器将采集到的信息通过互联网传输;

其次,在遥操作机器人系统工作过程中,主端控制器将接收到的环境信息载入主端本地模型进行操作者控制信息的预测,并将预测值和此时的操作者的输出信息进行对比获取差值,主端更新控制器通过差值信息对模型进行更新并将更新值传输到从端进行相同的更新保证两端模型一致;在每次任务结束时,保存人体动力学模型和主从端传输的数据;

最后,对于人体动力学模型,在同一个操作者执行任务时,将上一次该操作者任务结束后保存的人体动力学模型作为本次任务中的人体动力学模型的初始模型;对于任务模型,经过多次同样的任务后,将多次任务结束后保存的主从端传输的数据进行建模,将任务同一阶段相似的主端动作反应记录下来作为下一次任务的任务模型;在操作者的工作次数和任务的执行次数越来越多,操作者执行任务的人体行为模型将越来越准确。

2.根据权利要求1所述的提高遥操作机器人透明性和稳定性的方法,其特征在于:所述的人体行为模型,人体行为模型由两部分组成,分别是人体动力学模型和任务模型;不同的任务对应着不同的任务模型,不同的操作者对应着不同的人体动力学模型;在n号操作者操控遥操作机器人执行m号任务时,n和m分别代表确定的操作者和确定的任务,系统会调出n号操作者的人体动力学模型以及m任务的任务模型构成人体行为模型,在任务的执行过程中进行人体动力学模型的实时更新,在任务执行结束后保存n号操作者人体动力学模型和进行m号任务的任务模型的更新。

3.根据权利要求2所述的提高遥操作机器人透明性和稳定性的方法,其特征在于:所述的人体动力学模型,在n号操作者在第一次执行任务时,系统会预设一个简单的弹簧‑阻尼系统作为人体行为模型,在任务执行的过程中根据环境参数和n号操作者对环境的反应对人体动力学模型进行实时更新优化;在n号操作者非第一次执行任务时,系统会使用上一次n号操作者任务结束时的人体动力学模型作为本次人体动力学模型的初始模型。

4.根据权利要求3所述的提高遥操作机器人透明性和稳定性的方法,其特征在于:所述的人体动力学模型,每一位操作者有着该操作者独立的人体动力学模型,初始的人体动力学模型是建立一个简单的弹簧阻尼系统,在操作者每次执行任务时,人体动力学模型会实时更新,并在任务结束后保存该人体动力学模型并作为该操作者下一次控制遥操作机器人的初始模型。

5.根据权利要求2所述的提高遥操作机器人透明性和稳定性的方法,其特征在于:所述的任务模型,在任务成功完成后,系统将机器人工作过程中环境的参数及相应的操作者的输出与相同任务的数据进行对比学习,建立此任务中操作者对于相同的环境变化做出的一致性操作进行建模作为此任务的任务模型,并在后续中反复执行此操作直到任务模型几乎不再变化则停止任务模型的继续更新。

6.根据权利要求5所述的提高遥操作机器人透明性和稳定性的方法,其特征在于:所述的任务模型,将针对每一个任务进行任务模型的建立,任务模型与操作者无关,对于不同的任务有着不同的任务模型,在该任务第一次被执行时,任务模型只有比较简单的人体的应激模型,即对于刚性突变的情况,人体会立刻停住当前操作;每次任务成功执行完毕后,系统会将本次操作的环境参数以及对应的操作者操作进行保存,在任务被多次执行成功后,系统将该任务对应的信息进行分析,去除人体动力学模型,将其中的一致性操作记录到该任务模型中,作为下一次该任务的任务模型;在之后系统分析中,任务模型变化不影响系统透明性的时候,便停止任务模型的更新并对此模型进行测试,若满足透明性和稳定性条件,此任务模型便不再更新;若不能通过测试,此任务模型便继续学习更新。

7.根据权利要求1所述的提高遥操作机器人透明性和稳定性的方法,其特征在于:在实际操作过程中对动力学模型进行优化贴合当前操作者,并且在当前任务完成后进行任务模型的优化,在经过多次任务训练后人体行为模型将很好的贴合操作者行为,达到提高遥操作机器人系统透明性的目的。

8.根据权利要求1所述的提高遥操作机器人透明性和稳定性的方法,其特征在于:所述的遥操作机器人系统的控制器:主端采集操作者的控制信息并通过数据滤波和人体行为模型预测值进行比较,在此之前若是主端处于静止状态便将主端控制信息通过编解码技术直接输送到从端对环境进行控制;在此之前若是主端处于非静止状态,系统将采集到的从端环境参数输送到从端的人体行为模型,并通过人体行为模型的预测值对从端机器人进行控制与环境交互;与此同时,从端控制器将环境的音视频信息以及环境参数传输到主端并由主端控制器将信息展示给操作者,然后将主端控制信号通过数据滤波和人体行为模型预测值进行比较,比较后通过主端更新控制器对模型需要更新的信息传输到从端的更新控制器,从端控制器通过接收到的信息对人体动力学模型进行重构更新人体行为模型。