一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法及系统与流程

本发明属于电力自动化，尤其涉及一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法及系统。

背景技术：

1、双臂与灵巧手协同操作系统在工业装配、精密操作和复杂作业等场合具有重要应用。该类系统通常包含两个机械臂和安装在末端的一个或多个灵巧手，多个末端执行器协同完成抓取、操作和释放等任务。

2、在双臂与灵巧手协同操作过程中，操作任务通常包含多个不同的阶段，包括接近阶段（双臂与灵巧手向目标物体运动）、接触阶段（末端执行器与物体建立接触）、抓取阶段（灵巧手合拢抓取物体）、操作阶段（双臂协同移动或操作物体）和释放阶段（灵巧手松开释放物体）。不同阶段对控制模式的需求不同——接近阶段需要位置控制，接触阶段需要力控制，抓取阶段需要阻抗控制，操作阶段需要位置/力混合控制，释放阶段需要力卸载控制。

3、现有双臂与灵巧手协同控制方法主要存在以下技术缺陷：

4、第一，任务阶段识别依赖视觉传感器。现有方法通过安装在机械臂末端或环境中的视觉传感器检测物体位置和接触状态来识别任务阶段，需要额外的视觉硬件和图像处理算法，系统复杂且成本高，在遮挡或光照变化条件下识别精度下降。

5、第二，任务阶段切换依赖力幅值阈值。现有方法通过检测接触力幅值是否超过预设阈值来判断是否进入下一阶段，需要针对不同物体和操作任务预先设定力阈值，对不同物体和不同负载条件的适应性差。

6、第三，不同阶段之间的控制模式切换缺乏平滑过渡。现有方法在检测到阶段切换时直接切换控制模式，控制输出在切换时刻发生突变，导致机械臂和灵巧手产生冲击和震荡，影响操作稳定性和安全性。

7、因此，需要一种不依赖视觉传感器、不依赖力幅值阈值、能够基于接触力变化方向的空间同步性自动识别任务阶段并实现控制模式平滑切换的方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法及系统，用于解决上述任一的技术问题。

2、第一方面，本发明提供一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法，包括：

3、获取双臂与灵巧手协同系统操作过程中多个接触点处的接触力信号；

4、提取各接触点处接触力信号在时间轴上的变化方向，将各接触点在当前时刻的接触力相对于前一时刻的接触力的变化方向编码为第一状态或第二状态，所述第一状态对应于接触力增大，所述第二状态对应于接触力减小；

5、以各接触点的空间位置为节点，以各接触点当前时刻的状态为节点标签，构建当前时刻对应的接触力状态图；

6、提取所述接触力状态图中相邻节点之间状态标签的异同关系，将状态标签相同的相邻节点归入同一状态连通子图，统计所述接触力状态图中状态连通子图的总个数，以所述总个数作为当前时刻的接触力同步块计数；

7、将连续多个时刻的接触力同步块计数按时间顺序排列，得到接触力同步块计数序列，并计算所述接触力同步块计数序列在时间轴上的变化梯度；

8、根据所述变化梯度和所述接触力同步块计数确定所述双臂与灵巧手协同系统在当前任务阶段选择对应的控制模式，并将所述控制模式的控制指令输出至双臂关节控制器和灵巧手手指控制器执行。

9、第二方面，本发明提供一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制系统，包括：

10、获取模块，配置为获取双臂与灵巧手协同系统操作过程中多个接触点处的接触力信号；

11、第一提取模块，配置为提取各接触点处接触力信号在时间轴上的变化方向，将各接触点在当前时刻的接触力相对于前一时刻的接触力的变化方向编码为第一状态或第二状态，所述第一状态对应于接触力增大，所述第二状态对应于接触力减小；

12、构建模块，配置为以各接触点的空间位置为节点，以各接触点当前时刻的状态为节点标签，构建当前时刻对应的接触力状态图；

13、第二提取模块，提取所述接触力状态图中相邻节点之间状态标签的异同关系，将状态标签相同的相邻节点归入同一状态连通子图，统计所述接触力状态图中状态连通子图的总个数，以所述总个数作为当前时刻的接触力同步块计数；

14、计算模块，配置为将连续多个时刻的接触力同步块计数按时间顺序排列，得到接触力同步块计数序列，并计算所述接触力同步块计数序列在时间轴上的变化梯度；

15、输出模块，配置为根据所述变化梯度和所述接触力同步块计数确定所述双臂与灵巧手协同系统在当前任务阶段选择对应的控制模式，并将所述控制模式的控制指令输出至双臂关节控制器和灵巧手手指控制器执行。

16、第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法的步骤。

17、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例的双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法的步骤。

18、本申请的双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法及系统，具有以下有益效果：

19、现有方法需要视觉传感器检测物体位置和接触状态。本发明通过分析各接触点接触力变化方向的空间同步性来识别任务阶段，完全不需要视觉传感器，在遮挡或光照变化条件下仍能稳定工作，降低了系统硬件成本和复杂度。

20、现有方法需要预设力幅值阈值来检测接触，对不同物体和负载条件的适应性差。本发明仅利用接触力变化方向（增大或减小）的空间同步性进行分析，不涉及任何力幅值大小的比较或阈值设定，对力传感器的量程、增益和不同物体的力响应特性具有完全免疫性。

21、接近阶段各接触点独立随机波动，状态连通子图数量多；接触阶段部分接触点同步变化，同步块计数减少；操作阶段全部接触点同步变化，同步块计数趋近于1。同步块计数直接反映了接触力变化方向的空间同步程度，是任务阶段判定的可靠依据。

22、接近阶段使用位置控制实现快速趋近，接触阶段使用力控制实现柔顺接触，操作阶段使用阻抗控制实现稳定操作。各阶段控制目标明确，避免了单一控制模式在所有阶段的次优性能。

1.一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法，其特征在于，所述提取各接触点处接触力信号在时间轴上的变化方向，将各接触点在当前时刻的接触力相对于前一时刻的接触力的变化方向编码为第一状态或第二状态包括：

3.根据权利要求1所述的一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法，其特征在于，所述以各接触点的空间位置为节点，以各接触点当前时刻的状态为节点标签，构建当前时刻对应的接触力状态图包括：

4.根据权利要求1所述的一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法，其特征在于，所述提取所述接触力状态图中相邻节点之间状态标签的异同关系，将状态标签相同的相邻节点归入同一状态连通子图，统计所述接触力状态图中状态连通子图的总个数，以所述总个数作为当前时刻的接触力同步块计数包括：

5.根据权利要求1所述的一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法，其特征在于，所述将连续多个时刻的接触力同步块计数按时间顺序排列，得到接触力同步块计数序列，并计算所述接触力同步块计数序列在时间轴上的变化梯度包括：

6.根据权利要求1所述的一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制方法，其特征在于，所述根据所述变化梯度和所述接触力同步块计数确定所述双臂与灵巧手协同系统在当前任务阶段选择对应的控制模式包括：

7.一种双臂与灵巧手协同作分阶段状态控制系统，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至6任一项所述的方法。

9.一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权利要求1至6任一项所述的方法。