一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法
本发明涉及机器人感知和人机交互领域，尤其涉及一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法。
背景技术：
1、机器人的触觉感知是一项重要而实用的能力，近年来在机器人多模态感知、灵巧操作、人机交互等方向得到了越来越多的应用（mittendorfer, p., yoshida, e. andcheng, g., 2015. realizing whole-body tactile interactions with a self-organizing, multi-modal artificial skin on a humanoid robot. advancedrobotics, 29(1), pp.51-67.）、（niu, h., li, h., gao, s., li, y., wei, x., chen,y., yue, w., zhou, w. and shen, g., 2022. perception‐to‐cognition tactilesensing based on artificial‐intelligence‐motivated human full‐skin bionicelectronic skin. advanced materials, 34(31), p.2202622.）、（pugach, g., melnyk,a., tolochko, o., pitti, a. and gaussier, p., 2016, october. touch-basedadmittance control of a robotic arm using neural learning of an artificialskin. in 2016 ieee/rsj international conference on intelligent robots andsystems (iros) (pp. 3374-3380). ieee.）、（strohmayr, m.w., wörn, h. andhirzinger, g., 2013, may. the dlr artificial skin step i： uniting sensitivityand collision tolerance. in 2013 ieee international conference on roboticsand automation (pp. 1012-1018). ieee.）、（teyssier, m., parilusyan, b.,roudaut, a. and steimle, j., 2021, may. human-like artificial skin sensor forphysical human-robot interaction. in 2021 ieee international conference onrobotics and automation (icra)、 (pp. 3626-3633). ieee.）。
2、触觉皮肤相比于传统的末端力传感器能够获取更丰富的面接触信息，使得机器人能够实现更大范围的人机物理交互。而丰富的触觉信号使得对其的处理和分析成为必要。但缺少一种能够将面接触等效为点接触的方法适用于机器人触觉皮肤上。
3、为了保障人与机器人的安全共存，机器人应对外力应当表现出顺应。而对于触觉皮肤感知大面积接触时获取的外力，其具有接触不限于单点、分布面积大而随机的特点，目前缺少机器人基于大面积触觉皮肤的全身柔顺的实现方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法，包括如下步骤：
3、步骤1、计算单块触觉皮肤的触觉接触面的压力中心和几何中心，求所有触觉单元外力的总矢量和作为合力，所述合力作用于所述压力中心；以几何中心为原点建立坐标系为参考，计算合力的力矩；
4、步骤2、对于每块触觉皮肤，计算所述触觉皮肤的接触面几何中心坐标系的雅可比矩阵，将所述步骤1中得到的合力/力矩映射到机器人全身关节得到关节力矩；对所有皮肤对应的关节力矩求和得到总的关节合外力矩；
5、步骤3、建立机器人虚拟动力学模型，输入为所述步骤2中得到的关节合外力矩，代入运动学方程得到关节加速度，进一步积分得到关节速度或位置指令并发布。
6、进一步地，所述步骤1包括如下子步骤：
7、1.1、求单块触觉皮肤上所有存在接触的触觉单元的接触力的矢量和，如下公式所示：
8、；
9、其中，所述矢量和即接触力的合力，i表示单块触觉皮肤的编号，j表示存在接触的触觉单元的编号，表示接触力；
10、1.2、求所述触觉皮肤接触面的压力中心，也称为零力矩点，即接触面相对合力矩为0的点，如下公式所示：
11、；
12、其中，为触觉单元的坐标，进一步得到：
13、；
14、由上述公式解出；
15、1.3、求所述触觉皮肤接触面的几何中心，对接触面中的触觉单元坐标求均值：
16、；
17、其中，表示接触面中触觉单元的个数；
18、1.4、以所述几何中心为原点建立参考坐标系，坐标轴方向与关节坐标系一致，计算接触面的力相对于几何中心的合力/力矩，如下公式所示：
19、；
20、其中，表示合力矩；
21、上述步骤避免了对每个触觉单元的计算和求和；所述接触面的力相对于几何中心的合力/力矩为：
22、。
23、进一步地，所述步骤2包括如下子步骤：
24、2.1、计算每块触觉皮肤接触面几何中心坐标系的雅可比矩阵；
25、2.2、将合力/力矩映射到关节力矩并对所有皮肤求和得到机器人全身关节的合外力矩，如下公式所示：
26、；
27、其中，i表示每块触觉皮肤的编号，表示几何中心的合力/力矩，表示矩阵的转置。
28、进一步地，所述步骤3包括如下子步骤：
29、3.1、建立机器人动力学的一般方程，如下公式所示：
30、；
31、其中，分别表示关节位置、速度和加速度，表示机器人惯性矩阵（具体参数使用机器人实际的物理参数），表示机器人科氏力/向心力矩阵，表示机器人重力产生的关节力矩，表示关节外力矩，表示关节输出的控制力矩；令关节输出的控制力矩，将重力作用补偿；
32、3.2、以固定时间间隔，将所述关节合外力矩和机器人当前状态代入所述动力学的一般方程，计算当前时刻的关节加速度，再积分得到下一时刻的关节速度和位置指令并发布各个关节的运动指令。
33、本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器与所述处理器耦接；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现所述的一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法。
34、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法。
35、本发明的有益效果在于：通过将大面积接触等效为单点接触，简化了接触面相对于参考点力矩的计算，并从较多的数据中提取出了触觉接触面上力的关键信息；同时通过动力学模型实现机器人的柔顺行为，使得机器人能够通过触觉皮肤感知并顺应外力，以保障大范围、安全的人机物理交互。
技术特征：
1.一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法，其特征在于，所述步骤（1）包括如下子步骤：
3.根据权利要求1所述的一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法，其特征在于，所述步骤（2）包括如下子步骤：
4.根据权利要求1所述的一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法，其特征在于，所述步骤（3）包括如下子步骤：
5.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器与所述处理器耦接；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现如权利要求1-4任一项所述的一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法。
技术总结
本发明公开了一种机器人通过处理大面积触觉信号实现全身柔顺的方法，本发明通过多自由度移动机器人表面覆盖的大面积触觉皮肤阵列获取触觉信号，将信号进行处理和简化后等效为单点接触的六维合力/力矩，避免了对每个触觉感知单元的力/力矩的单独计算。本发明通过将合力映射到机器人各个关节得到关节外力矩，再通过假定的机器人虚拟动力学模型得到机器人受力时的运动指令，实现机器人应对外力的全身柔顺行为，进一步有助于实现大范围、安全的人机物理交互。
技术研发人员：陆豪健,肖聪,孙宇,王越,熊蓉
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5