基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，包括双臂协同控制模块根据目标负载的期望运动轨迹和期望力建立动力学模型，得到各个机械臂的末端期望位姿和末端期望力；单臂控制模块完成对所述期望任务指令的解析与执行，得到机械臂各个关节的期望角度；驱动模块根据规划的期望关节角度，驱动所述机械臂完成任务轨迹。本发明专利技术还提供一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制系统，本方案采用主从式和共享式策略进行负载的公共力分解，得到两个机械臂的期望操作力，进而提出了双臂协同操作的主从式力柔顺控制方法和共享式力柔顺控制方法。广泛应用于机器人技术的双臂协作控制领域。

Compliant control method and system based on cooperative operation of dual arm robot

The present invention discloses a collaborative operation based on the arms of the robot compliant control methods, including arms collaborative control module dynamic model is established according to the target load of the desired trajectory and expected force, get the end of each arm the desired position and the desired terminal; arm control module to complete the analysis and implementation of task instructions on the expectations. Get each joint of the mechanical arm expected angle; driver module according to the desired angle of joint planning, the task driven manipulator trajectory. The invention also provides a collaborative operation based on the arms of the robot compliant control system, public power decomposition this scheme adopts master-slave and shared strategy load, two arm expected operating force, then put forward the master-slave force compliant arms collaborative operation control method and sharing type force compliance control method. The dual arm cooperative control field is widely used in robotics.

【技术实现步骤摘要】
基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法及系统
本专利技术涉及机器人技术的双臂协作控制领域，尤其涉及一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法及系统。
技术介绍
单臂机器人的操作任务简单、灵巧性不足，与传统单个机械臂相比，双臂机器人更能适应工厂中为人类设计的工作空间，同时双臂可以完成装配、搬运等复杂的操作任务。双臂机器人在具有较高的灵活性和任务适应性的同时，也带来了更加复杂的建模、规划以及控制等问题。而双臂机器人的研究重点则为双臂协调完成复杂的载荷搬运以及装配等任务，由于双臂在进行协调操作时会形成闭链约束，同时双臂机器人系统在建模与控制上存在一定误差，如果不对末端操作力进行控制，很有可能会对负载甚至机械臂自身造成意想不到的破坏。为了增强机械臂与环境的交互与感知，目前大多数机械臂均在关节或是末端安装有力传感器，通过阻抗控制方法或是力位混合控制方法即可实现机械臂的力柔顺操作。但是针对双臂协同搬运载荷等典型任务，尤其是双臂机器人与目标负载形成闭链约束后的双臂协同运动规划与柔顺操作问题，尚未提出安全可靠的控制方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法及系统。本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，包括以下步骤：双臂协同控制模块根据目标负载的期望运动轨迹和期望力建立动力学模型，通过满足双臂闭链约束方程的协调位置分解和公共力分解得到各个机械臂的末端期望位姿和末端期望力；单臂控制模块完成对所述期望任务指令的解析与执行，得到机械臂各个关节的期望角度，通过基于位置的阻抗控制实现机械臂的力柔顺操作；驱动模块根据规划的期望关节角度，驱动所述机械臂完成任务轨迹。作为该技术方案的改进，所述步骤还包括系统对双臂之间公共力的分解。作为该技术方案的改进，所述对公共力的分解的方法包括采用主从分解模式。作为该技术方案的改进，所述主从分解模式包括通过给定其中一机械臂的末端期望操作力/力矩Fea＝[fex,fey,fez,τex,τey,τez]T，进而可求解得到另一机械臂的末端期望力/力矩为其中，FL表示负载所受环境的广义力；表示负载所受地球的广义重力，FIL表示负载的广义惯性力，Γa、Γb分别代表两个机械臂的抓取矩阵。作为该技术方案的改进，所述对公共力的分解的方法包括采用共享分解模式。进一步地，所述共享分解模式包括将两个机械臂同等看待，采用伪逆法求解负载受力平衡方程，可得到：其中，Γa、Γb分别代表两个机械臂的抓取矩阵，Fea、Feb分别为两机械臂的末端期望操作力/力矩，FL表示负载所受环境的广义力；表示负载所受地球的广义重力；FIL表示负载的广义惯性力。进一步地，所述单臂控制模块采用基于位置的阻抗控制，通过机械臂的导纳特性将末端的力、力矩误差等效为输入的位置与姿态增量，实现机械臂的力柔顺操作。另一方面，本专利技术还提供一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制系统，包括：双臂协同控制模块、驱动模块和单臂控制模块；所述双臂协同控制模块用于执行步骤根据目标负载的期望运动轨迹和期望力建立动力学模型，通过满足双臂闭链约束方程的协调位置分解和公共力分解得到各个机械臂的末端期望位姿和末端期望力；所述单臂控制模块用于执行步骤完成对所述期望任务指令的解析与执行，得到机械臂各个关节的期望角度，通过基于位置的阻抗控制实现机械臂的力柔顺操作；所述驱动模块用于执行步骤根据规划的期望关节角度，驱动所述机械臂完成任务轨迹。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法及系统，针对双臂协同搬运载荷等典型任务，提出了目标负载操作的闭链双臂协调柔顺控制方法，可以确保双臂机器人在对负载进行闭链约束下的协同操作的同时，将机械臂的末端操作力控制在期望的范围。为了求解负载力平衡方程，采用主从式和共享式策略进行负载的公共力分解，得到两个机械臂的期望操作力，进而提出了双臂协同操作的主从式力柔顺控制方法和共享式力柔顺控制方法。单臂控制器采用基于位置的阻抗控制，仅需要进行机械臂末端操作力的检测以及关节空间的位置控制即可，降低了对硬件平台的要求。本专利技术为双臂协同操作提供了一种安全可靠的控制方案，确保双臂机器人在对负载进行闭链约束下的协同操作时，将机械臂的末端操作力控制在期望的范围。本方案可以广泛适用于成熟的工业机械臂产品以及自主研发的机械臂实验平台，用以完成目标负载搬运以及装配等双臂协作任务。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：图1是本专利技术第一实施例的双臂机器人操作目标载荷所形成的闭链约束示意图；图2是本专利技术第二实施例的双臂操作时的负载受力分析示意图；图3是本专利技术第三实施例的基于位置的阻抗控制示意图；图4是本专利技术第四实施例的目标负载操作的闭链双臂协调柔顺控制示意图；图5是本专利技术第五实施例的控制方法流程示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本专利技术提供一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，包括以下步骤：双臂协同控制模块根据目标负载的期望运动轨迹和期望力建立动力学模型，通过满足双臂闭链约束方程的协调位置分解和公共力分解得到各个机械臂的末端期望位姿和末端期望力；单臂控制模块完成对所述期望任务指令的解析与执行，得到机械臂各个关节的期望角度，通过基于位置的阻抗控制实现机械臂的力柔顺操作；驱动模块根据规划的期望关节角度，驱动所述机械臂完成任务轨迹。作为该技术方案的改进，所述步骤还包括系统对双臂之间公共力的分解。作为该技术方案的改进，所述对公共力的分解的方法包括采用主从分解模式。作为该技术方案的改进，所述主从分解模式包括通过给定其中一机械臂的末端期望操作力/力矩Fea＝[fex,fey,fez,τex,τey,τez]T，进而可求解得到另一机械臂的末端期望力/力矩为其中，FL表示负载所受环境的广义力；表示负载所受地球的广义重力，FIL表示负载的广义惯性力，Γa、Γb分别代表两个机械臂的抓取矩阵。作为该技术方案的改进，所述对公共力的分解的方法包括采用共享分解模式。进一步地，所述共享分解模式包括将两个机械臂同等看待，采用伪逆法求解负载受力平衡方程，可得到：其中，Γa、Γb分别代表两个机械臂的抓取矩阵，Fea、Feb分别为两机械臂的末端期望操作力/力矩，FL表示负载所受环境的广义力；表示负载所受地球的广义重力；FIL表示负载的广义惯性力。进一步地，所述单臂控制模块采用基于位置的阻抗控制，通过机械臂的导纳特性将末端的力、力矩误差等效为输入的位置与姿态增量，实现机械臂的力柔顺操作。另一方面，本专利技术还提供一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制系统，包括：双臂协同控制模块、驱动模块和单臂控制模块；所述双臂协同控制模块用于执行步骤根据目标负载的期望运动轨迹和期望力建立动力学模型，通过满足双臂闭链约束方程的协调位置分解和公共力分解得到各个机械臂的末端期望位姿和末端期望力；所述单臂控制模块用于执行步骤完成对所述期望任务指令的解析与执行，得到机械臂各个关节的期望角度，通过基于位置的阻抗控制实现机械臂的力柔顺操作；所述驱动模块用于执行步骤根据规划的期望关节角度，驱动所述机械臂完成任务轨迹。本专利技术公开了一种目标负载操作的闭链双臂协调柔顺控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：双臂协同控制模块根据目标负载的期望运动轨迹和期望力建立动力学模型，通过满足双臂闭链约束方程的协调位置分解和公共力分解得到各个机械臂的末端期望位姿和末端期望力；单臂控制模块完成对所述期望任务指令的解析与执行，得到机械臂各个关节的期望角度，通过基于位置的阻抗控制实现机械臂的力柔顺操作；驱动模块根据规划的期望关节角度，驱动所述机械臂完成任务轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：双臂协同控制模块根据目标负载的期望运动轨迹和期望力建立动力学模型，通过满足双臂闭链约束方程的协调位置分解和公共力分解得到各个机械臂的末端期望位姿和末端期望力；单臂控制模块完成对所述期望任务指令的解析与执行，得到机械臂各个关节的期望角度，通过基于位置的阻抗控制实现机械臂的力柔顺操作；驱动模块根据规划的期望关节角度，驱动所述机械臂完成任务轨迹。2.根据权利要求1所述的基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，其特征在于：所述步骤还包括系统对双臂之间公共力的分解。3.根据权利要求2所述的基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，其特征在于：所述对公共力的分解的方法包括采用主从分解模式。4.根据权利要求3所述的基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，其特征在于：所述主从分解模式包括通过给定其中一机械臂的末端期望操作力/力矩Fea＝[fex,fey,fez,τex,τey,τez]T，进而可求解得到另一机械臂的末端期望力/力矩为其中，FL表示负载所受环境的广义力；表示负载所受地球的广义重力，FIL表示负载的广义惯性力，Γa、Γb分别代表两个机械臂的抓取矩阵。5.根据权利要求2所述的基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，其特征在于：所述对公共力的分解的方法包括采用共享分解模式。6.根据权利要求5所述的基于双臂机器人协同操作的柔顺控制方法，其特征在于，所述共享分解模式包括将两...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫磊，徐文福，胡忠华，梁斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44