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Adaptive Variable Impedance Control in Physical Human–Robot Interaction Based on Arm End Stiffness Estimation

电阻抗 刚度 机械臂 变量(数学) 机器人 人体手臂 阻抗控制 控制理论(社会学) 计算机科学 机械阻抗 控制(管理) 工程类 模拟 数学 人工智能 结构工程 电气工程 数学分析
作者
Zhipeng Wang,Hui Xu,Rong Jiang,Yanmin Zhou,Shuo Jiang,Xu Cheng,Xin Li,Bin He
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:74: 1-12
标识
DOI:10.1109/tim.2025.3588957
摘要

Impedance control is widely utilized in physical human-robot interaction (pHRI), particularly in rehabilitation and medical applications. However, traditional constant impedance control is insufficient for dynamically changing human-robot collaboration tasks, while variable impedance control often underperforms due to the challenge of accurately estimating human stiffness. In this paper, an adaptive variable impedance control method based on real-time human stiffness estimation is proposed to significantly extend the applicability of traditional impedance control. First, a stiffness estimation model based on surface electromyography (sEMG) is developed to infer human intention by designing a visual feedback perturbation method for data acquisition and parameter identification. Then, a constraint based on a velocity mapping band is implemented to enhance compliance during interaction, while an adaptive variable stiffness constant force tracking algorithm is introduced to meet the force control requirements of specific task scenarios. Furthermore, two variable impedance control strategies incorporating human intention are proposed for different collaborative interaction scenarios. Finally, the effectiveness of the proposed method is validated through two human-robot collaborative tasks: sawing and wiping.
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