基于导纳控制与时变被动速度场控制的人机协同搬运任务协作控制框架

人机协同搬运任务通过发挥双方优势，在工业和日常应用中展现出巨大潜力。在这些任务中有效控制机器人需要管理闭环系统中的能量水平以防止潜在危险，同时最小化运动误差以完成共享任务。由于人类意图的多样性以及工作空间特性的差异，协作任务带来了诸多挑战，导致人机冲突。本文提出了一种人机协同搬运任务的协作控制框架，该框架由参考生成器和底层控制器构建，旨在实现安全的交互与人机同步运动。首先，基于交互力测量的冲突，通过导纳控制对运动预测进行修正，从而降低冲突水平。使用能量补偿被动速度场控制的底层控制器将修正后的运动编码为机器人的控制力矩。通过这种方式，当能量水平超过预设阈值时，闭环机器人系统是无源的，否则亦然。此外，所提出的控制方法确保系统的动能在有限时间间隔内得到补偿。从理论角度分析了无源性、稳定性、能量收敛速率和功率流调节。通过涉及18名参与者的闭环实验验证，所提出的方法显著提升了任务性能并降低了人类工作负荷，这一结论得到了客观指标和主观评估的双重支持，且与基线方法相比的改进经统计检验确认（p < 0.05）。