The invention relates to a model-constrained optimal trajectory planning control method and a device for manipulator energy, wherein the method includes setting initial conditions and calculating the position description of the time-dependent manipulator joints by cubic spline interpolation algorithm, and combining the angle position description of the manipulator joints with the dynamic model. A nonlinear constrained programming model with the objective of optimizing the energy consumption of the manipulator motion is established, and the energy consumption of the objective function is solved by combining the angle position description of the manipulator joint, the continuous function of the torque with respect to time and the friction energy consumption. In the nonlinear constrained programming model, the sequential quadratic programming algorithm is used to iteratively solve the minimum trajectory of the Energy-optimal trajectory planning, and the optimal trajectory of the manipulator is obtained. Compared with the prior art, the invention does not need a large number of complicated calculations, has better real-time performance and consumes least energy.
【技术实现步骤摘要】
基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法及装置
本专利技术涉及一种机械臂控制技术,尤其是涉及一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法及装置。
技术介绍
随着工业机器人的发展,其生产技术逐步提高,成本也相对降低,这让像“人”一样的仿生机器人(例如机械臂)进入人们生活中的门槛越来越低。人们对未来智能化机器人充满期待,不仅期待机器人可以与人类互动,越来越像人类手臂的外观,而且希望体积越来越小,性能越来越好功能。但通常的电机额定扭矩有限,尽管有三倍的瞬间扭矩过载能力,仍不能充分发挥电机的性能,而且对电机也有很大的损耗。随着伺服电机技术的发展,促使使用越来越小体积的电机,从而达到机器人关节小的目的,电机扭矩随着转速的增加而降低,充分发挥电机性能提高机械臂运动速度、降低能量消耗等方面成为学者们研究的热点。在实际应用中,能量最优是一个非常重要的性能指标,因为,以能量为优化目标不仅能够规划出一条光滑的轨迹,而且还能提高轨迹跟踪的精度,同时还能减少机器人执行器和操作臂上的应力,能够使有限性能关节的机器人发挥其更大的作用,在能源紧张或者有限的情况下节省能量(例如太空中机器人以及潜海勘探机器人等)。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法及装置。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法,包括:设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述;基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型,得到力矩关于时间的连续函数;建立 ...
【技术保护点】
1.一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法,其特征在于,包括:设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述;基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型,得到力矩关于时间的连续函数;建立以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型,并结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数以及摩擦力能耗求解目标函数的能量消耗;基于以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型,采用序列二次规划算法迭代求解能量最优的轨迹规划的最小值,获得机械臂最优轨迹。
【技术特征摘要】
1.一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法,其特征在于,包括:设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述;基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型,得到力矩关于时间的连续函数;建立以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型,并结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数以及摩擦力能耗求解目标函数的能量消耗;基于以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型,采用序列二次规划算法迭代求解能量最优的轨迹规划的最小值,获得机械臂最优轨迹。2.根据权利要求1所述的一种基于模型约束的能量最优轨迹规划控制方法,其特征在于,所述设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述,包括:获取机械臂运动轨迹的关键参数变量;设计离散网格并将离散的点通过三次样条插值算法获取关节连续的运动轨迹;对运动轨迹进行微分分别得到速度、加速度、加速度变化率的描述。3.根据权利要求1所述的一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法,其特征在于,所述动力学模型为:其中:τ为关节力矩,M(θ)为n*n的正定对称矩阵,为n*1的离心力和科式力矢量,为关节角加速度,为关节角速度,g(θ)为n*1的重力矢量,θ为关节角度,n为机械臂关节个数。4.根据权利要求1所述的一种基于模型约束的能量最优轨迹规划控制方法,其特征在于,所述非线性约束规划模型的目标函数为:其中:E为约束模型的总能耗,Pdynamics,j为关节j的关节力矩所消耗的功率,Pfriction,j为关节速度和力矩的乘积,n为机械臂关节个数。5.根据权利要求1所述的一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法,其特征在于,所述基于以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型,采用序列二次规划算法迭代求解能量最优的轨迹规划的最小值,获得机械臂最优轨迹,具体为:基于以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型,通过输入运动轨迹的起点、途径点和终点位置,采用序列二次规划算法迭代求解能量最优的轨迹规划的最小值,获得机械臂最优轨迹。6.一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制装置,其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员:安康,方厚招,王丽慧,周华,徐颖,
申请(专利权)人:上海师范大学,
类型:发明
国别省市:上海,31
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