【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及人机交互，尤其是涉及基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法。
技术介绍
1、人机协作机器人(collaborativerobot，简称cobot)是指能够与人类在同一工作空间内安全、高效地协同工作的机器人。与传统工业机器人不同，cobot通常具有更高的灵活性和智能性，能够通过感知和学习与人类进行互动。然而，现有的cobot在复杂和动态的工作环境中，尤其是需要高度灵活的人机交互场景中，仍存在诸多挑战，如操作的连续性、工作流的无缝衔接以及人机协作的安全性等。生物医学实验室的实验流程通常具有高度复杂性和动态变化性，涉及大量的人工操作和实时干预，这对现有的自动化机器人系统提出了更高的要求，并且现有大多数的自动化实验室都针对全自动化的工作流，现有技术可参考公告号为cn202411365422.9和cn202420609105.6的专利，其都是针对于自动化工作流的开发，如精确定位、样本处理等，没有将需要人操作的工作流纳入考虑范围，一旦人加入工作流中，自动化任务将受到干扰。
2、虚拟夹具是一种基于计算机生成的辅助装置，通过软件算法在机器人操作过程中提供约束、引导或辅助，模拟实际物理夹具的功能。现有技术提出了一种在人工引导下进行机器人辅助钻孔开颅手术的方案，其将机器人辅助的协助钻孔任务分为了对齐和钻孔两个阶段，通过机器学习来识别医生的意图，实现钻孔和对齐阶段不同虚拟夹具的转换。而实验室中的人机交互工作流相对手术流程较为标准化，如使用移液器将液体注入自动化工作流的试管中，或取走自动化工作流大批次样品中的某一特定
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，以解决上述
技术介绍
中存在的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，包括以下步骤：
3、s1、将实验室中的工作流分为人工操作工作流和自动化工作流，人工操作工作流避免操作者与有害环境的直接接触，采用遥操作的控制模式，包括主机器人和从机器人；
4、s2、计算遥操作系统中主机器人和从机器人的控制力矩，在从机器人跟踪主机器人运动轨迹的同时，将从机器人与环境的交互力矩传递给主机器人；
5、s3、设置一种可变形状的虚拟夹具，其位姿根据自动化工作流中所操作对象的运动而更新，其形状根据操作的阶段确定，用于给操控主机器人的操作者施加引导力；
6、s4、计算虚拟夹具施加的力矩；
7、s5、将虚拟夹具的力矩引入遥操作系统，实现人机工作流中的无干扰耦合。
8、优选的，步骤s1中在操作者和环境施加的外部力矩影响下，根据理想的环境阻抗特征确定期望的主机器人运动，其中，qmd、和分别表示关节空间下主机器人的期望位置、速度、加速度，qm和分别表示主机器人的当前位置、速度，me和ce是理想的环境阻抗参数，gm为重力力矩，τh是操作者对主机器人施加的力矩，τe是从机器人与环境交互的力矩，其中包括真实环境的力矩τr以及虚拟夹具的引导力矩τvf。
9、优选的，步骤s2中根据主机器人当前位置与期望位置的误差，通过力矩控制器得到此时对主机器人的控制力矩；由于通信的影响，传递给从机器人的位置信息存在高频噪声，先经过低通滤波器，得到从机器人的期望运动，再根据从机器人当前位置与期望位置的误差，通过力矩控制器得到此时对从机器人的控制力矩，并与环境进行交互；其中的力矩控制器是通过基于李雅普诺夫稳定判据的反步进控制来实现的，主机器人和从机器人的控制力矩计算公式如下：
10、
11、其中，τm和τs为主机器人和从机器人的控制力矩；qm、和qs、为主机器人和从机器人的位置、速度；qmd、和是主机器人的期望位置、速度、加速度；qsd、和是从机器人的期望位置、速度、加速度；μ1、μ2、μ1′、μ2′为大于零的主机器人和从机器人控制器的控制参数；cm和cs为主机器人和从机器人的科里奥利力和向心力矩阵；mm和ms为主机器人和从机器人的惯性矩阵。
12、优选的，步骤s2中，由于操作者施加的力与真实环境的交互力是通过力传感器测量的，因此引入相应的死区，以减轻力传感器的偏移与测量误差，当测量到的力低于特定阈值时，力被视为零，同时增大环境的阻抗特性参数me和ce。
13、优选的，步骤s3中，在实际的实验室人机协作工作流中，一个常见的操作是使用移液管从运行中的自动化工作流中提取液体样本，分为两个阶段：将移液器对准试管架上的特定试管的对齐阶段和向下插入移液器进行后续操作的插入阶段，针对这两个阶段设计一种可变形状虚拟夹具，两种可变形状包括：在对准阶段时工作区域较大且操作对象的位置比较集中，采用漏斗形虚拟夹具，该漏斗形虚拟夹具是将从机器人的工作区域限定在试管架的范围内，便于操作者遥操作从机器人在试管架中选取所需提取液体的试管，并保证该漏斗随自动化端的运动而运动；选好特定的试管后，操作者通过按钮来将此虚拟夹具变为圆柱形，会产生在所选试管的位置，在将从机器人工作区域与运动的自动化端保持一致的同时，限制从机器人末端工具的方向保持与试管对齐。
14、优选的，根据任务阶段的不同，虚拟夹具的形状完成切换，如是对齐阶段，则虚拟夹具设置为双曲面形成的漏斗形，并不启用对从机器人的姿态约束；如是插入阶段，则虚拟夹具设置为圆柱形，启用姿态约束。
15、优选的，步骤s4中通过虚拟夹具的几何关系，计算出虚拟夹具施加的力矩，包括：
16、s41、基于虚拟夹具的位姿posevf，即漏斗或圆柱体底面圆的中心位置posvf(xvf,yvf,zvf)和法向量nvf(nx,ny,nz)得到底面平面的方程：
17、nx(x-xvf)+ny(y-yvf)+nz(z-zvf)＝0；
18、而后转换成ax+by+cz+d＝0的形式，其中，[a,b,c,d]＝[nx,ny,nz,-nxxvf-nyyvf-nzzvf]；
19、s42、计算从机器人当前工具中心点位置postcp(xtcp,ytcp,ztcp)与底面平面的距离：
20、
21、s43、计算从机器人当前处于的虚拟夹具内平面的中心点位置：
22、posc＝posvf+dpnvf；
23、s44、基于虚拟夹具的形状确定当前平面圆的半径：
24、
25、若为双曲面漏斗形，则半径为rc，若为圆柱形，则半径为预设的底面半径rb，其中kvf决定漏斗的开口大小；
26、s45、计算力方向矢量：
27、forcevec＝posc-postcp；
28、s46、基于弹簧阻尼模型计算虚拟夹具施加力的大小：
29、fvf＝k*forcevec-d*veltcp；
30、其中，k、d为设定的虚拟夹具的弹簧本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于，步骤S1中在操作者和环境施加的外部力矩影响下，根据理想的环境阻抗特征确定期望的主机器人运动，其中，qmd、和分别表示关节空间下主机器人的期望位置、速度、加速度，qm和分别表示主机器人的当前位置、速度，Me和Ce是理想的环境阻抗参数，Gm为重力力矩，τh是操作者对主机器人施加的力矩，τe是从机器人与环境交互的力矩，其中包括真实环境的力矩τr以及虚拟夹具的引导力矩τvf。
3.根据权利要求2所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于，步骤S2中根据主机器人当前位置与期望位置的误差，通过力矩控制器得到此时对主机器人的控制力矩；由于通信的影响，传递给从机器人的位置信息存在高频噪声，先经过低通滤波器，得到从机器人的期望运动，再根据从机器人当前位置与期望位置的误差，通过力矩控制器得到此时对从机器人的控制力矩，并与环境进行交互；其中的力矩控制器是通过基于李雅普诺夫稳定判据的反步进控
4.根据权利要求3所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于：步骤S2中，由于操作者施加的力与真实环境的交互力是通过力传感器测量的，因此引入相应的死区，当测量到的力低于特定阈值时，力被视为零，同时增大环境的阻抗特性参数Me和Ce。
5.根据权利要求1所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于，步骤S3中，在实际的实验室人机协作工作流中，一个常见的操作是使用移液管从运行中的自动化工作流中提取液体样本，分为两个阶段：将移液器对准试管架上的特定试管的对齐阶段和向下插入移液器进行后续操作的插入阶段，针对这两个阶段设计一种可变形状虚拟夹具，两种可变形状包括：在对准阶段时工作区域大且操作对象的位置集中，采用漏斗形虚拟夹具，该漏斗形虚拟夹具是将从机器人的工作区域限定在试管架的范围内；选好特定的试管后，操作者通过按钮来将此虚拟夹具变为圆柱形，会产生在所选试管的位置，在将从机器人工作区域与运动的自动化端保持一致的同时，限制从机器人末端工具的方向保持与试管对齐。
6.根据权利要求5所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于：根据任务阶段的不同，虚拟夹具的形状完成切换，如是对齐阶段，则虚拟夹具设置为双曲面形成的漏斗形，并不启用对从机器人的姿态约束；如是插入阶段，则虚拟夹具设置为圆柱形，启用姿态约束。
7.根据权利要求1所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于，步骤S4中通过虚拟夹具的几何关系，计算出虚拟夹具施加的力矩，包括：
8.根据权利要求7所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于：若启用了姿态约束，则计算当前从机器人末端工具的姿态与设定的虚拟夹具方向向量nvf的夹具，然后通过与步骤S46同样的方法计算施加给从机器人的力矩，该力矩与步骤S46中计算的力合并，得到Wrenchvf；
...【技术特征摘要】
1.基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于，步骤s1中在操作者和环境施加的外部力矩影响下，根据理想的环境阻抗特征确定期望的主机器人运动，其中，qmd、和分别表示关节空间下主机器人的期望位置、速度、加速度，qm和分别表示主机器人的当前位置、速度，me和ce是理想的环境阻抗参数，gm为重力力矩，τh是操作者对主机器人施加的力矩，τe是从机器人与环境交互的力矩，其中包括真实环境的力矩τr以及虚拟夹具的引导力矩τvf。
3.根据权利要求2所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于，步骤s2中根据主机器人当前位置与期望位置的误差，通过力矩控制器得到此时对主机器人的控制力矩；由于通信的影响，传递给从机器人的位置信息存在高频噪声，先经过低通滤波器，得到从机器人的期望运动，再根据从机器人当前位置与期望位置的误差，通过力矩控制器得到此时对从机器人的控制力矩，并与环境进行交互；其中的力矩控制器是通过基于李雅普诺夫稳定判据的反步进控制来实现的，主机器人和从机器人的控制力矩计算公式如下：
4.根据权利要求3所述的基于可变虚拟夹具的无中断人机工作流耦合的解决方法，其特征在于：步骤s2中，由于操作者施加的力与真实环境的交互力是通过力传感器测量的，因此引入相应的死区，当测量到的力低于特定阈值时，力被视为零，同时增大环境的阻抗特性参数me和ce。
5.根据权利要求1所述的基于可...
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