基于構(gòu)形平面的冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人控制方法，具體地說是一種基于構(gòu)形平面的冗余機(jī)械 臂運(yùn)動(dòng)控制軌跡方法，該方法能夠保證冗余機(jī)械臂在復(fù)雜的工作空間中實(shí)現(xiàn)空間避障等多 目標(biāo)條件下的運(yùn)動(dòng)控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間運(yùn)動(dòng)物體的自由度是6,因此機(jī)械臂操作空間也是6,冗余機(jī)械臂具有比操作 空間自由度多的關(guān)節(jié)，意味著在相同的任務(wù)中，冗余機(jī)械臂具有更多的操作自由度，能夠?qū)?現(xiàn)更加靈活運(yùn)動(dòng)控制，進(jìn)而滿足實(shí)際任務(wù)的需要，因此冗余機(jī)械臂的研究成為機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003] 許多專家在冗余機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制方面提出了很多方法。基于C空間的自由空間 法以機(jī)械臂的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系建立C空間，將障礙物映射到C空間，形成空間構(gòu)型障礙，從而求 得C空間的補(bǔ)集，即自由空間。在此基礎(chǔ)上，利用啟發(fā)式搜索算法在機(jī)械臂的自由空間內(nèi)尋 找機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂無碰撞路徑規(guī)劃，但是由于將障礙物映 射到C空間方法較為復(fù)雜，對于復(fù)雜環(huán)境難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。為了實(shí)現(xiàn)空間避障，對障 礙定義一個(gè)排斥勢場，目標(biāo)點(diǎn)處定義一個(gè)吸引勢場，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)勢場共同作用力 來決定，由此來保證機(jī)械臂在避障的同時(shí)順利到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。該方法對于處理全局路徑 規(guī)劃中的動(dòng)態(tài)避障非常有效，但容易陷入局部最小點(diǎn)處。
[0004] 在對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，各個(gè)關(guān)節(jié)的角加速度約束、角速度約束和角度約束 是涉及的主要約束問題。在一般低速運(yùn)動(dòng)情況下，只要保證關(guān)節(jié)角度不超限即可，這對運(yùn)動(dòng) 軌跡規(guī)劃影響很小。但是，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，關(guān)節(jié)角加速度和角速度極易超出約束 范圍，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流過大或者超出限位的事故發(fā)生。輕則機(jī)器人運(yùn)動(dòng)出錯(cuò)，重則損壞硬件。 此時(shí)，必須在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃時(shí)綜合考慮各種約束條件，最常用的方法是對運(yùn)動(dòng)時(shí)間 進(jìn)行優(yōu)化。例如，有研究人員在用機(jī)械臂攔截快速飛行的物體時(shí)，對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡施加 關(guān)節(jié)速度約束和力矩約束。還有學(xué)者推導(dǎo)出了具有特殊關(guān)節(jié)配置的7R機(jī)械臂的解析逆解， 并且使所有的關(guān)節(jié)滿足其關(guān)節(jié)角度限制。工作主要是服務(wù)于擬人機(jī)械臂工作空間的求解。 眾多學(xué)者對7R機(jī)械臂的仿人達(dá)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃展開了研究。也可將工作空間劃分成一個(gè)個(gè)小 格，得到每個(gè)小格內(nèi)擬人的關(guān)節(jié)角度，建立查找表，根據(jù)要求的末端位置，在查找表中找到 冗余角q3,根據(jù)解析逆解求出其他關(guān)節(jié)角。MINH利用運(yùn)動(dòng)元的方式實(shí)現(xiàn)擬人運(yùn)動(dòng)。但這些 研究工作的重點(diǎn)是在仿人達(dá)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并沒有考慮避障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種不依賴機(jī)器人構(gòu)形，形式簡單，計(jì)算量少，能夠按需要得 到優(yōu)化解，具有通用性和快速性的基于構(gòu)形平面的冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 步驟1 :輸入冗余機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)對冗余機(jī)械臂進(jìn)行構(gòu)形平面劃分；
[0008] 步驟2 :將已劃分的構(gòu)型平面按照構(gòu)形平面匹配的方式進(jìn)行冗余機(jī)械臂初規(guī)劃， 所述構(gòu)形平面匹配以加權(quán)的空間矢量法進(jìn)行；
[0009] 步驟3 :對規(guī)劃的冗余機(jī)械臂的每個(gè)構(gòu)形平面進(jìn)行空間障礙物干涉檢測，對產(chǎn)生 干涉的構(gòu)形平面進(jìn)行重新調(diào)整和規(guī)劃；
[0010] 步驟4 :對調(diào)整后的冗余機(jī)械臂規(guī)劃進(jìn)行關(guān)節(jié)的速度、加速度的樣條曲線平滑處 理，保證機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；
[0011] 步驟5 :對整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)校核，避免冗余機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程出現(xiàn)的過 載荷、超速的現(xiàn)象。
[0012] 本發(fā)明總結(jié)串聯(lián)形式的冗余機(jī)械臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以構(gòu)形平面為基礎(chǔ)，針對具體形式的 串聯(lián)冗余機(jī)械臂工作構(gòu)形。該方法形式簡潔，具有很高的精度和求解速度，具有很強(qiáng)的實(shí)用 性和通用性。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0014] (1)結(jié)合冗余機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，將構(gòu)形平面引入到冗余機(jī)械臂的運(yùn) 動(dòng)控制中，該方法能夠直觀快速實(shí)現(xiàn)冗余機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)劃。
[0015] (2)以構(gòu)形平面為基礎(chǔ)，通過空間矢量引導(dǎo)的方式對構(gòu)形平面進(jìn)行空間位置確定， 進(jìn)而確定較為合理的冗余機(jī)械臂空間位形。該方法避免了采用傳統(tǒng)解析方法依賴機(jī)器人構(gòu) 形形式和自由度，也避免數(shù)值方法的求解精度和求解速度問題，具有實(shí)用性和通用性。
[0016] (3)基于構(gòu)形平面的動(dòng)力學(xué)方法。該方法以構(gòu)形平面為單位，減少推算和求解步 驟，能夠快速校核機(jī)械臂在規(guī)劃過程中的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)性能，為優(yōu)化和調(diào)整機(jī)械臂規(guī)劃提供依 據(jù)。
【附圖說明】
[0017] 圖1構(gòu)形平面劃分示意圖附圖。
[0018] 圖2構(gòu)形平面內(nèi)的障礙物干涉檢測。
[0019] 圖3空間構(gòu)形平面位置確定。
[0020] 圖4已知軌跡點(diǎn)的構(gòu)形平面規(guī)劃。
[0021] 圖5運(yùn)動(dòng)控制流程圖。
[0022] 圖6冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模型圖。
[0023] 圖7各關(guān)節(jié)的角速度變化曲線。
[0024] 圖8各關(guān)節(jié)的力矩變化曲線。
[0025] 圖9a-圖9d冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中的截圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。
[0027] 結(jié)合圖5,本發(fā)明的方法的整體步驟如下：
[0028] 步驟1 :給定冗余機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)對冗余機(jī)械臂進(jìn)行構(gòu)形平面劃分。
[0029] 步驟2 :按照構(gòu)形平面匹配的方式進(jìn)行冗余機(jī)械臂初規(guī)劃，構(gòu)形平面匹配以加權(quán) 的空間矢量法進(jìn)行。
[0030] 步驟3 :對規(guī)劃的冗余機(jī)械臂的每個(gè)構(gòu)形平面進(jìn)行空間障礙物干涉檢測，對產(chǎn)生 干涉的構(gòu)形平面進(jìn)行重新調(diào)整和規(guī)劃。
[0031] 步驟4 :對調(diào)整后的冗余機(jī)械臂規(guī)劃進(jìn)行關(guān)節(jié)的速度、加速度的樣條曲線平滑處 理，保證機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。
[0032] 步驟5 :對整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)校核，避免冗余機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程出現(xiàn)的過 載荷、超速的現(xiàn)象。
[0033] 結(jié)合圖1，
[0034] 機(jī)械臂的構(gòu)形平面定義為若干個(gè)依次連接的機(jī)器人關(guān)節(jié)的中心軸線所形成的平 面。按照空間幾何的原理，兩個(gè)平面相較于線，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的中心軸線作為構(gòu)形平面的間的分 界線。為此可將構(gòu)形平面的劃分為如下幾類：
[0035] (1)構(gòu)形平面末端位置不變，姿態(tài)不變：此類構(gòu)形平面所包含模塊僅為連接模塊， 不存在搖擺模塊、回轉(zhuǎn)模塊、移動(dòng)模塊等存在運(yùn)動(dòng)量變化的模塊；
[0036] (2)構(gòu)形平面末端位置變化，姿態(tài)不變：此類構(gòu)形平面中包含連接模塊和移動(dòng)模 塊，不存在搖擺模塊和回轉(zhuǎn)模塊；
[0037] (3)構(gòu)形平面末端位置不變，姿態(tài)變化：此類構(gòu)形平面中包含回轉(zhuǎn)模塊和基本連 接模塊，若存在角度連接模塊，則機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，角度連接模塊相比基本連接模塊更靠 近構(gòu)形平面的中心；
[0038] (4)構(gòu)形平面末端位置變化，姿態(tài)變化：根據(jù)構(gòu)形平面的定義，無論組成構(gòu)形平面 的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊如何運(yùn)動(dòng)，其位置和姿態(tài)都是在二維平面能變化。角度連接模塊和回轉(zhuǎn) 模塊成為構(gòu)形平面分界點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為特定的構(gòu)形平面分界關(guān)節(jié)，則搖擺關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān) 節(jié)的數(shù)量是構(gòu)形平面中的自由度數(shù)目。
[0039] 結(jié)合圖2,空間障礙物被構(gòu)形平面所在二維平面橫切成截圖圖形，這個(gè)截面圖形 可能很不規(guī)則，采用較為簡單的依次相連的直線段進(jìn)行包覆，使所包覆圖形近似規(guī)則