本发明专利技术提供了一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法与装置，整个系统均采用模型未知机械臂的估计雅可比矩阵来协助计算，包括如下步骤：1)获取冗余度机械臂的速度信息和关节角速度信息；2)根据所述速度信息和关节角速度信息得出估计雅可比矩阵；3)应用所述估计雅可比矩阵设计二次型的重复运动性能指标，生成二次型优化冗余度解析方案；4)将所述机械臂重复运动二次规划方案转化为标准二次规划的形式；5)运用二次规划求解器进行求解以确定冗余度机械臂的控制信号；6)将所述控制信号传递给下位机控制器驱动机械臂运动；本发明专利技术为模型未知机械臂提供了可靠的模型信息估算方法和重复运动控制方法，并在控制机械臂的同时保持较高的控制精度。
A Data-Driven Repetitive Motion Control Method and Device for Manipulator
【技术实现步骤摘要】
一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法与装置
本专利技术涉及冗余度机械臂运动规划及控制领域，具体涉及一种冗余度机械臂的逆运动学求解方法。
技术介绍
冗余度机械臂具有自由度大于任务空间所需最少自由度的特性，广泛应用于装备制造、产品加工、机器作业等国民经济生产活动中。冗余度机械臂的逆运动学问题是指已知冗余度机械臂末端位置，确定冗余度机械臂的关节角问题。当冗余度机械臂末端任务为一个封闭曲线时，即使末端执行器回到了初始位置，但其各个关节可能与初始状态产生偏离，这种现象叫做关节角偏差，或称非重复运动问题。如果冗余度机械臂不能实现重复运动，则在运行过程中可能会产生不可预料的情况，甚至会出现损害冗余度机械臂甚至危害周围人员人身安全的问题；而重复运动规划方案就是要设计适当的性能参数，使得冗余度机械臂末端执行完封闭曲线任务时，各个关节角都能够回到其相对应的初始位置。值得指出的是，现存的绝大部分的机械臂控制方法仅仅针对模型已知的机械臂，并不适用模型未知的机械臂。在工业生产中，会出现机械臂负载未知或者机械臂结构未知的情况，此时现有的控制方法无法使机械臂准确完成所给定任务从而导致任务失败或机械臂损坏。而数据驱动技术可以被应用于机械臂结构信息的获取，这给模型未知机械臂的控制提供了重要的技术支撑。本专利技术提出一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法，能够促使模型未知机械臂精确地完成重复运动任务，并有效地消除执行任务时产生的关节角偏差和位置误差，这一优势对于工业生产是非常具有实际意义的。综上所述，本专利技术专利具有新颖性与实用性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法，旨在精确地实现模型未知的冗余度机械臂的重复运动。本专利技术实施例第一方面提供了一种数据驱动的雅可比矩阵估计方法；所述雅可比矩阵的估计方法包括：获取所述模型未知的机械臂的速度信息和关节角速度信息；通过雅可比矩阵迭代等式对雅可比矩阵进行估计；所述雅可比矩阵迭代等式为：其中，为机械臂的估计雅可比矩阵；为的时间导数；为冗余度机械臂末端执行器的速度；为冗余度机械臂的关节角速度；∈＞0为控制算法收敛速度的设计参数；上标T为向量或者矩阵的转置。本专利技术实施例第二方面提供了一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法的设计步骤，具体包括：设置最优化性能指标为冗余度机械臂的重复运动，通过估计雅可比矩阵、关节角度极限和关节角速度极限确定二次型优化方案；将所述二次型优化方案转换为标准二次规划；对所述标准二次规划用二次规划求解器进行求解，得到求解结果；根据所述求解结果确定所述冗余度机械臂的控制信号。本专利技术实施例第三方面提供了一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法的二次规划优化方案；所述二次型优化方案为：设计的最小化性能指标为冗余度机械臂的重复运动，受约束于雅可比等式、关节角度极限、关节角速度极限，即为最小化受约束于雅可比等式关节角度极限θ-≤θ≤θ+，关节角速度极限上标表示矩阵的伪逆，θ表示冗余度机械臂的关节角度，θ0表示冗余度机械臂的初始关节角度，表示冗余度机械臂的关节角速度，γ＞0表示关节角度误差的反馈系数，表示设定的末端执行器的期望速度，表示冗余度机械臂的估计雅可比矩阵，I表示单位矩阵，θ±表示关节角度的上下限，表示冗余度机械臂的关节角速度的上下限，表示本专利技术中不同于现存重复运动方法的重要特征，起到使末端执行器的位置误差与冗余度机械臂的关节角度误差解耦的作用。本专利技术实施例第四方面提供了一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法的二次规划优化方案；所述二次规划为：设计其性能指标为最小化受约束于其中表示关节角度误差的反馈系数，β±为冗余度机械臂的关节角速度上下限，它们的第i个元素分别定义为i表示关节序号，i＝1，2，3...n，正常数kα用来调节和保证关节角速度有足够大的可行域。本专利技术实施例第五方面提供了一种数据驱动的机械臂重复运动控制装置；所述控制装置通过控制装置的各模块之间的信息传递完成从求解器到冗余度机械臂重复运动的控制；所述控制装置包括：冗余度机械臂信息获取模块，用于获取所述模型未知的机械臂的位置信息、速度信息、关节角信息和关节角速度信息；估计雅可比矩阵构建模块，用于根据所述机械臂的速度信息和关节角速度对雅可比矩阵进行估计；轨迹信息获取模块，用于获取所述冗余度机械臂设定的轨迹信息，并将轨迹信息传输给二次规划求解器；等式构建模块，用于根据所述机械臂的速度信息和所述轨迹信息，按照预设规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式；控制信号确定模块，用于在所述雅可比矩阵等式、关节角度极限和关节角速度极限的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定所述目标冗余度机械臂的控制信号；信息传递模块，用于获取所述目标冗余度机械臂的控制信号，并将控制信号传递给下位机；冗余度机械臂控制模块，用于根据所述目标冗余度机械臂的控制信号控制目标冗余度机械臂，使目标冗余度机械臂实现重复运动。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为实现本专利技术的冗余度机械臂三维模型图；图3为实现本专利技术应用下的冗余度机械臂重复运动过程图；图4为实现本专利技术应用下的冗余度机械臂关节角度和关节角速度变化图；图5为实现本专利技术应用下的冗余度机械臂末端执行器位置误差和速度误差变化图；图6为实现本专利技术应用下的冗余度机械臂雅可比矩阵估计误差；具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。图1为本专利技术的流程图；获取冗余度机械臂的速度信息和关节角速度信息；然后根据所述速度信息和关节角速度信息得出估计雅可比矩阵；接着设计二次型的重复运动性能指标，生成二次型优化解析方案；然后将二次规划方案转化为二次规划的形式；接着运用二次规划求解器进行求解；最后下位机控制器根据求解结果控制冗余度机械臂的运动。图2为实现本专利技术的冗余度机械臂为一个空间七自由度的Sawyer机械臂。该冗余度机械臂由七个连杆组成，通过关节一(1)、关节二(2)、关节三(3)、关节四(4)、关节五(5)、关节六(6)、关节七(7)和末端执行器(8)组成。本专利技术的雅可比矩阵的估计方法包括：获取所述模型未知的机械臂的速度信息和关节角速度信息；通过雅可比矩阵迭代等式对雅可比矩阵进行估计；所述雅可比矩阵迭代等式为：其中，为机械臂的估计雅可比矩阵；为的时间导数；为冗余度机械臂末端执行器的速度；为冗余度机械臂的关节角速度；∈＞0为控制算法收敛速度的设计参数；上标T为向量或者矩阵的转置。本专利技术设计的重复运动规划方案为最小化：约束条件：θ-≤θ≤θ+(3)其中，为重复运动的性能指标，上标T表示矩阵和向量的转置，上标表示矩阵的伪逆，θ表示冗余度机械臂的关节角度，θ0表示冗余度机械臂的初始关节角度，表示冗余度机械臂的关节角速度，k＞0表示重复运动的反馈系数，表示设定的期望轨迹，J表示冗余度机械臂的雅可比矩阵，I表示单位矩阵，表示冗余度机械臂的关节角速度的上下限，θ±表示冗余度机械臂的关节角度的上下限。带物理约束的冗余度机械臂的二次型优化方案(1)-(4)可描述为如下的二次规划方案：最小化：约束条件：其中，γ＞0表示重复运动的反馈系数，φ＝θ，φ0＝θ0，β±为冗余度机械臂的关节角速度上下限，它们的第i个元素分别定义为i表示关节序号，i＝1，2，3...n，正常数kα用来调节和保证关节角速度足够大的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法与装置，其特征在于，根据模型未知的机械臂的速度信息和关节角速度信息对雅可比矩阵进行估计；所述雅可比矩阵的估计方法包括：获取所述模型未知的机械臂的速度信息和关节角速度信息；通过雅可比矩阵迭代等式对雅可比矩阵进行估计；所述雅可比矩阵迭代等式为：
【技术特征摘要】
1.一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法与装置，其特征在于，根据模型未知的机械臂的速度信息和关节角速度信息对雅可比矩阵进行估计；所述雅可比矩阵的估计方法包括：获取所述模型未知的机械臂的速度信息和关节角速度信息；通过雅可比矩阵迭代等式对雅可比矩阵进行估计；所述雅可比矩阵迭代等式为：其中，为机械臂的估计雅可比矩阵；为的时间导数；为冗余度机械臂末端执行器的速度；为冗余度机械臂的关节角速度；∈＞0为控制算法收敛速度的设计参数；上标T为向量或者矩阵的转置。2.根据权利要求1中所述的一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法与装置，其特征在于，根据所述估计雅可比矩阵，利用二次型优化和标准二次规划方法确定冗余度机械臂的控制信号具体包括：设置最优化性能指标为冗余度机械臂的重复运动，通过估计雅可比矩阵、关节角度极限和关节角速度极限确定二次型优化方案；将所述二次型优化方案转换为标准二次规划；对所述标准二次规划用二次规划求解器进行求解，得到求解结果；根据所述求解结果确定所述冗余度机械臂的控制信号。3.根据权利要求2所述的一种数据驱动的机械臂重复运动控制方法与装置，其特征在于，所述二次型优化方案为：设计的最小化性能指标为冗余度机械臂的重复运动，受约束于雅可比等式、关节角度极限、关节角速度极限，即为最小化受约束于雅可比等式关节角度极限θ-≤θ≤θ+，关节角速度极限上标表示矩阵的伪逆，θ表示冗余度机械臂的关节角度，θ0表示冗余度机械臂的初始关节角度，表示冗余度机械臂的关节角速度，γ＞0表示关节角度误差的反馈系数，表示设定的末端执行器的期望速度，表示冗余度机械臂的估计雅可比矩阵，I表示单位矩阵，θ±表示关节角度的上下限，表示冗余度机械臂的关节角速度的上下限，表示本发明中不同于现存重复运动方法的重要特征，起到使末端执行器...
【专利技术属性】
技术研发人员：金龙，谢正泰，肖秀春，付东洋，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62
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