一种半柔性机械臂系统的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种半柔性机械臂系统的控制方法，半柔性机械臂系统由刚性机械臂和附加的柔性连杆组成，刚性机械臂是由一系列的刚性连杆和关节构成，其中关节为转动关节或者移动关节；方法包括如下步骤：刚性机械臂共有n+1个刚性连杆，附加的柔性连杆为R；刚性机械臂采用改进型的DH参数方法建立得到n+1个刚性连杆的固连坐标系，并计算得到n+1个刚性连杆的连杆参数；将柔性连杆参数中的柔性连杆R的长度视为可变值，其他参数不变；根据连杆参数确定刚性连杆以及柔性连杆R之间相邻连杆的坐标系变换公式，然后建立关节力矩与关节角、关节速度、关节加速度之间的关系作为动力学方程，依据该动力学方程依据设定的控制方法对半柔性机械臂系统进行控制。

【技术实现步骤摘要】
一种半柔性机械臂系统的控制方法
本专利技术属于机器人控制领域，主要涉及一种半柔性机械臂系统的控制方法。
技术介绍
随着上世纪60年代第一台工业机器人问世以来，机器人的应用已逐渐渗透到航天、医疗、军事，甚至日常生活及娱乐教育等各个领域。起初制造机器人更多是把它作为一种自动化装置，服务于制造业。随着理论和技术的日益成熟，人们对机器人提出了越来越高的要求，越来越多的场合需要机器人或者机械臂为我们服务。机械臂是机器人最主要的执行机构。在当下热门的无人车上加入机械臂可以协助或者帮助人类完成许多任务，比如自动加油、自动清障等。通常机械臂的工作空间在设计时可能无法满足复杂多变的环境，因此有必要给机械臂配备工具，以提高它的工作范围，进而满足实际需求。机械臂的主体是刚性的，但附加的工具可能是带有柔性的连杆(有一定的柔性更符合实际情况)。当工具末端带有负载(如汽油枪、带清理的障碍物等)，柔性连杆末端在进行运动时会出现变形。在对机械臂进行控制时，比如轨迹跟踪，柔性变形会对运动学和动力学模型产生很大影响。简单地把工具的影响当成扰动不能很好地解决问题，而是需要把工具当成整个机器人系统的一部分。这样就扩展了本身的机械臂，组成了一个刚性主体、柔性附件的半柔性机械臂系统。由于工具是柔性的，所以需要应用柔性机械臂中柔性连杆或者柔性关节的动力学建模的相关方法。半柔性机械臂和柔性机械臂是都是一个刚柔耦合的非线性系统，系统的动力学特性和控制特性相互耦合。柔性连杆实际上一个无穷多自由度的柔性系统，它的建模方法主要有假设模态法、有限元法、集总参数法等。但是这些方法的特点都是结合弹性力学，建立一系列的偏微分方程去描述弹性变形，然后按照拉格朗日或者牛顿-欧拉法的思路去建立柔性机械臂的动力学模型，然而这种建模和控制过程很复杂，对于半柔性机械臂来说，其主体是刚性的，仅针对其中一个柔性连杆采用如此复杂的建模和控制，是没有必要的，也不能满足实际需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种半柔性机械臂系统的控制方法，针对半柔性机械臂系统，把连杆柔性变形建模成随机干扰，利用递推牛顿-欧拉动力学算法建立半柔性机械臂的动力学模型，针对所建立的动力学模型采用双闭环运动控制方法进行运动控制，能够适应半柔性机械臂的控制需求。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种半柔性机械臂系统的控制方法，半柔性机械臂系统由刚性机械臂和附加的柔性连杆组成，刚性机械臂是由一系列的刚性连杆和关节构成，其中关节为转动关节或者移动关节；方法包括如下步骤：步骤1、刚性机械臂共有n+1个刚性连杆，编号从A0到An，相邻刚性连杆之间通过关节连接，共有n个关节，则关节编号从B1到Bn；附加的柔性连杆为R，R与刚性连杆An通过关节Bn+1连接；步骤2、刚性机械臂采用改进型的DH参数方法建立得到{0}，{1}，{2}，…，{n-1}，{n}共n+1个刚性连杆的固连坐标系，并计算得到n+1个刚性连杆的连杆参数；附加的柔性连杆为R的三个坐标轴分别规定为：采用改进型的DH参数方法定义关节Bn的轴线作为Z轴，然后把关节Bn+1到柔性连杆R的末端的连线所在直线作为X轴，再根据右手坐标系的原则确定Y轴；步骤3、刚性机械臂按照原有的连杆参数规定不变；对于柔性连杆R，将柔性连杆R视作刚性连杆，进行连杆参数的计算，其中连杆参数中的柔性连杆R的长度为从关节Bn+1到柔性连杆R的末端的线段长度Ln+1，Ln+1为可变值，其他参数不变；步骤4、根据连杆参数确定刚性连杆A0到An以及柔性连杆R之间相邻连杆的坐标系变换公式；步骤5、用递推牛顿-欧拉动力学算法建立半柔性机械臂系统的动力学方程，即建立关节力矩与关节角、关节速度、关节加速度之间的关系；步骤6、在上述动力学方程的基础上，依据如下方法对半柔性机械臂系统进行控制：step601、先假设半柔性机械臂系统中连杆均为刚性连杆，根据预先给出的笛卡尔空间中期望的运动轨迹规划出关节空间中的期望轨迹，用关节角度qd、速度和加速度表达；step602、根据step601中计算得到的关节空间中的期望轨迹采用鲁棒自适应PD控制算法，计算得到关节力矩τ为其中前两项为PD控制部分，e和分别表示关节角度和关节角速度的跟踪误差，Kp和Kv分别是PD控制中的位置和速度反馈对应的比例系数矩阵，为补偿动力学模型的自适应控制项，td表示补偿干扰的鲁棒控制项；step603、将step602控制后的关节空间的实际轨迹映射到笛卡尔空间，将实际轨迹的笛卡尔空间映射值与笛卡尔空间中期望的运动轨迹进行误差计算，并依据计算得到的误差为规划出关节空间中的期望轨迹增加一个调整值，返回step602，并重复step602和step603，直至误差满足精度要求。进一步地，步骤5中，关节力矩表示为τ，q＝[θ1…θnθn+1]T表示前n个关节的角度θ1～θn和第n+1个关节的角度测量值θn+1组成的关节向量，其中θn+1为柔性连杆R变形前测得的关节角度；表示前n个关节的角度θ1～θn和虚拟关节角度组成的关节角向量，为柔性连杆变形后的虚拟关节角度；则半柔性机械臂系统的动力学方程具体如下：其中，为关节力矩，M0为机械臂变形前相应的惯性矩阵、C0为机械臂变形前相应的离心力和哥氏力矩阵、G0为机械臂变形前相应的重力项，和分别为q的二阶和一阶导数，ω为扰动，ΔC为机械臂变形前相应的离心力和哥氏力矩阵变化量，ΔG为机械臂变形前后相应的重力项变化量，为关节角加速度向量变化量，为关节角向量速度变化量。进一步地，step603中以笛卡尔空间的轨迹误差的平方和作为目标函数R，关节空间的期望节轨迹作为控制变量，求出目标函数R对控制变量的各个分量的负梯度方向分别为则调整值为：其中μ为设定的学习步长。有益效果：本专利技术提供的控制方法，针对半柔性机械臂系统，在合理假设的前提下，在连杆附加坐标系特殊规定的基础上建立半柔性机械臂的运动学模型，把连杆柔性变形建模成随机干扰，利用递推牛顿-欧拉动力学算法建立半柔性机械臂的动力学模型，针对所建立的动力学模型采用双闭环运动控制方法，其中以step602～step603作为外环，采用学习控制，通过期望的位置坐标，这是整个半柔性机械臂系统需要实现的跟踪目标，得到期望的关节轨迹；以step602作为内环，采用关节轨迹控制，通过外环的控制量即期望的关节轨迹，计算得到关节力矩。本专利技术方法针对主体为刚性，具有一个柔性连杆的半柔性机械臂，适应性强、效果好。附图说明图1是由刚性机械臂和柔性连杆组成的半柔性机械臂系统图，代表一种半柔性机械臂系统的通用结构；图2是一种2自由度半柔性机械臂的系统简图。2自由度半柔性机械臂系统位于竖直平面内，其中刚性主体部分含有1个关节，基座连杆省略不画，因此共标出一个刚性连杆加上一个柔性连杆，共2个自由度；图3是图2所示的2自由度半柔性机械臂的运动学模型示意图。其中标明了机械臂的参数；图4是半柔性机械臂的运动控制系统框图；图5是半柔性机械臂的运动控制流程图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。一种半柔性机械臂系统的控制方法，半柔性机械臂系统由刚性机械臂和附加的柔性连杆组成，刚性机械臂是由一系列的刚性连杆和转动关节或者移动关节构成；建模方法包括如下步骤：步骤1、刚性机械臂共有n+1个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半柔性机械臂系统的控制方法，其特征在于，所述半柔性机械臂系统由刚性机械臂和附加的柔性连杆组成，所述刚性机械臂是由一系列的刚性连杆和关节构成，其中关节为转动关节或者移动关节；所述方法包括如下步骤：步骤1、所述刚性机械臂共有n+1个刚性连杆，编号从A

【技术特征摘要】
1.一种半柔性机械臂系统的控制方法，其特征在于，所述半柔性机械臂系统由刚性机械臂和附加的柔性连杆组成，所述刚性机械臂是由一系列的刚性连杆和关节构成，其中关节为转动关节或者移动关节；所述方法包括如下步骤：步骤1、所述刚性机械臂共有n+1个刚性连杆，编号从A0到An，相邻刚性连杆之间通过关节连接，共有n个关节，则关节编号从B1到Bn；所述附加的柔性连杆为R，R与刚性连杆An通过关节Bn+1连接；步骤2、所述刚性机械臂采用改进型的DH参数方法建立得到{0}，{1}，{2}，…，{n-1}，{n}共n+1个刚性连杆的固连坐标系，并计算得到n+1个刚性连杆的连杆参数；附加的柔性连杆为R的三个坐标轴分别规定为：采用改进型的DH参数方法定义关节Bn的轴线作为Z轴，然后把关节Bn+1到柔性连杆R的末端的连线所在直线作为X轴，再根据右手坐标系的原则确定Y轴；步骤3、所述刚性机械臂按照原有的连杆参数规定不变；对于柔性连杆R，将柔性连杆R视作刚性连杆，进行连杆参数的计算，其中连杆参数中的柔性连杆R的长度为从关节Bn+1到柔性连杆R的末端的线段长度Ln+1，Ln+1为可变值，其他参数不变；步骤4、根据连杆参数确定刚性连杆A0到An以及柔性连杆R之间相邻连杆的坐标系变换公式；步骤5、用递推牛顿-欧拉动力学算法建立半柔性机械臂系统的动力学方程，即建立关节力矩与关节角、关节速度、关节加速度之间的关系；步骤6、在上述动力学方程的基础上，依据如下方法对所述半柔性机械臂系统进行控制：step601、先假设所述半柔性机械臂系统中连杆均为刚性连杆，根据预先给出的笛卡尔空间中期望的运动轨迹规划出关节空间中的期望轨迹，用关节角度qd、速度和加速度表达；step602、根据step601中计算得到的关节空间中的期望轨迹采用鲁棒自适应PD控制算法，计算得到关节力矩τ为其中前两项为PD控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：周浩，马宏宾，陈孙杰，李楠楠，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11