一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法制造技术

本发明专利技术公开了一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法，该算法首先建立世界坐标系、接触力测量坐标系和运动坐标系，整个系统的柔顺度为机械臂的柔顺度、工具末端的柔顺度以及环境的柔顺度之和；通过系统柔顺度来建立起机械臂末端运动速度和接触力的关系，由所需控制的接触力f得到机械臂末端运动速度，通过逆运动学求解完成机械臂各个关节角的转动速度并控制机械臂运动，再通过PD控制器使接触力达到稳定值。本发明专利技术结合了传统的被动柔顺控制和主动柔顺控制的优点，从而使机械臂完成与环境之间的良好交互控制。

A manipulator control algorithm for flexible end with single degree of freedom

The invention discloses a method for manipulator control algorithm of single degree of freedom flexible terminal, the algorithm firstly establishes the world coordinate system, coordinate system and coordinates movement contact force, the whole system compliance as the manipulator compliance, tool at the end of the compliance and environmental compliance and the system; the flexibility to establish the manipulator motion velocity and contact force, the contact force required to control the f manipulator motion velocity, inverse kinematics of mechanical arm through the angle of each joint rotation speed and motion control of manipulator, and then through the PD controller so that the contact force reaches a stable value. The invention combines the advantages of the traditional passive compliance control and the active compliance control, so that the mechanical arm completes the good interactive control with the environment.

【技术实现步骤摘要】
一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法
本专利技术涉及一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法，属于机械臂结构和控制

技术介绍
机械臂被广泛使用在机械制造、航空航天、医药、原子能等领域，对自动化生产起到了重大作用。机械臂在运动中可以分为自由运动和受力运动，自由运动一般应用在喷漆、焊接、码垛等工作中，在这样的环境中机械臂不直接和外界环境接触，所以在控制上只需要考虑路径规划问题，目前该方面的研究应用较为成熟。对于受力运动即机械臂在运动的过程中和环境发生交互作用，需要和外界进行接触来完成指定的功能，像打磨、钻孔、抛光等，最简单的莫过于抓取，在受力运动中，机械臂不但要进行精确的位置控制，而且需恰当地控制接触力大小，否则难以完成任务甚至损坏器物。这种能对外界力做出运动调整的控制方式称为柔顺控制，极大地拓展了机械臂的安全性与应用领域。机械臂与外界环境接触力的控制体现出机械臂具有一定的柔顺性。为了使机器人对外界具有柔顺性，现有的控制方法可以分为两种：被动柔顺控制和主动柔顺控制。被动柔顺即利用能够储存或吸收能量的机械器件把机械臂与作用环境分隔开，如弹簧、阻尼等具有弹性的机构，使机器人与环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法，其特征在于，该算法基于单自由度柔性末端的机械臂，机械臂末端固定连接力传感器，力传感器与轴承套固定连接，工具通过直线轴承安装在轴承套中，工具只能沿直线轴承的轴向滑动，弹簧安装在轴承套内部的空腔内，弹簧的两端分别与工具和力传感器抵触；该算法首先建立世界坐标系、接触力测量坐标系和运动坐标系，通过整体柔顺度来建立起机械臂末端运动速度和接触力的关系，整体的柔顺度为机械臂的柔顺度、工具末端的柔顺度以及环境的柔顺度之和；由所需控制的接触力f得到机械臂末端运动速度，通过逆运动学求解完成机械臂各个关节角的转动速度并控制机械臂运动，再通过PD控制器使接触力达到稳定值。

【技术特征摘要】
1.一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法，其特征在于，该算法基于单自由度柔性末端的机械臂，机械臂末端固定连接力传感器，力传感器与轴承套固定连接，工具通过直线轴承安装在轴承套中，工具只能沿直线轴承的轴向滑动，弹簧安装在轴承套内部的空腔内，弹簧的两端分别与工具和力传感器抵触；该算法首先建立世界坐标系、接触力测量坐标系和运动坐标系，通过整体柔顺度来建立起机械臂末端运动速度和接触力的关系，整体的柔顺度为机械臂的柔顺度、工具末端的柔顺度以及环境的柔顺度之和；由所需控制的接触力f得到机械臂末端运动速度，通过逆运动学求解完成机械臂各个关节角的转动速度并控制机械臂运动，再通过PD控制器使接触力达到稳定值。2.如权利要求1所述的一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法，其特征在于，所述控制算法的计算步骤如下：第一步：建立坐标系；第二步：求解机械臂末端与环境接触点在世界坐标系{W}下的速度第三步：求解机械臂在世界坐标系{W}下的柔顺度；第四步：求解工具末端以及环境在世界坐标系{W}下的柔顺度；第五步：通过PD控制器使接触力达到稳定值。3.如权利要求2所述的一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法，其特征在于，所述第一步中坐标系的建立过程为：机械臂的基座上建立世界坐标系{W}，在力传感器测量端面上建立接触力测量坐标系{S}，此外，再建立一个运动坐标系{C}，运动坐标系{C}以工具末端和环境的接触点为原点，工具的轴线方向为Z轴。4.如权利要求2或3所述的一种用于单自由度柔性末端的机械臂控制算法，其特征在于，所述第二步中的求解过程为：机械臂末端与环境的接触点在世界坐标系{W}中的输出位置为y，通过运动学关系可以表示为：y＝f(q,xu)(1)其中q为机械臂的关节角，xu为整个系统的未能控制的自由度所产生的位移，包括环境接触的变形量以及弹簧的变形量；交互环境限定为刚性环境，环境的变形量可以忽略不计，因此整个系统未能控制的自由度所产生的位移即为弹簧的变形量δx：δx＝fs/ks(2)其中ks为弹簧的刚度，fs为施加在弹簧上的力由传感器测量得到，由于工具仅沿着{S}坐标系的Z轴方向运动，因此坐标系{C}相对于{S}的齐次变换矩阵为：其中L为弹簧不受力时工具末端到坐标系{S}原点的距离，因此从末端接触点到世界坐标的正运动学变换可以表示为：其中为坐标系{S}相对于世界坐标系{W}的变换矩阵；在基于速度的控制方法中，计算目标速度的大小：其中Ks＝diag(0,0,-1/ks,0,0,0)(6)Jq为机械臂的雅可比矩阵，将关节速度映射到世界坐标系下的笛卡尔速度；为从坐标系{S2}到{W}的速度转换矩阵。5.如权利要求2或4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：段星光，马安稷，马晓东，韩定强，郭艳君，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11