本技术属于重载机械臂人机协同控制系统技术领域,尤其为一种基于双层博弈的重载机械臂人机协同控制方法,包括如下步骤:首先,操控员和自动控制系统根据当前环境分别发出控制信号;接着,上层博弈权限分配系统根据协同控制双方的控制信号以及当前环境状态,获取最优控制权限,并发送给下层博弈人机交互模型;然后,人机交互模型通过求解Nash均衡实时优化操控员与自动控制系统的控制信号;最后,利用最优控制权限融合最优控制信号,并将融合好的控制信号输出给重载机械臂,实现基于双层博弈的重载机械臂人机协同控制。本发明能够有效降低人机冲突对重载机械臂人机协同控制性能的影响,最大化程度上提升重载机械臂作业效率与安全性。
背景技术
重载机械臂,因其在高负载任务中的卓越效率,已广泛应用于矿山采掘、抢险救援、建筑施工等非结构化环境。然而,相比工业场景的常规机械臂,重载机械臂运动惯量大、自由度多、大载荷冲击频繁,不仅增加了操控员的工作负荷,而且极易引发操控失误的危险,对重载机械臂的作业效率和作业安全带来了巨大的挑战。为此,研究学者们尝试将自动化技术应用于重载机械臂上,以降低操控员的工作负担并提升重载机械臂的作业效率和作业安全。然而,面对复杂多变的非结构化环境,现有重载机械臂自动控制系统的动态适应能力和快速决策能力不足,难以有效应对环境的高度动态变化。
人机协同控制技术融合操控员针对复杂环境的适应能力与自动控制系统的高精度控制能力,通过双方优势互补有望大幅度提升重载机械臂的作业效率与作业安全。现有对重载机械臂的研究主要通过考虑环境风险与操控员状态实现人机协同控制,但很少关注操控员与自动控制系统之间的冲突。而在非结构化工作环境中,操控员通常面临较高的工作负荷,容易出现分心和疲劳,导致对任务环境的理解与自动控制系统存在差异,从而引发人机冲突,不仅影响重载机械臂人机协同控制性能,甚至可能对重载机械臂造成潜在的安全隐患。因此,亟需一种有效消解人机冲突的重载机械臂人机协同控制方法,以充分发挥双方优势,提升重载机械臂的作业效率与作业安全。
博弈论在处理涉及多个参与者之间相互影响或存在利益冲突的问题时具有显著优势。在人机冲突场景下,操控员与自动控制系统之间的交互关系与微分博弈的特性一致。因此,博弈论广泛应用于多智能体系统冲突条件下的交互行为建模中,能够为设计更安全、更高效的人机协同控制系统提供理论基础。目前基于博弈的人机协同控制方法主要通过博弈模型构建操控员与自动控制系统的人机交互关系,优化操控员与自动控制系统的控制信号,从而降低人机冲突。然而,这些研究在人机协同控制权限设置上通常采用固定分配策略,在复杂多变的非结构化环境中无法进行自适应调整,导致无法最大化发挥重载机械臂人机协同控制性能。
实现思路