一种提高机械臂运动规划控制精度的方法技术

本发明专利技术公开一种提高机械臂运动规划控制精度的方法，包括以下步骤：根据机械臂的机械机构，得到机械臂的数学模型；根据机械臂的数学模型，通过动力学理论分析，得到机械臂的控制模型；根据机械臂的控制模型，利用欧拉公式和外推法进行求解；根据求解结果对机械臂的运动进行控制。本发明专利技术采用动力学方法，在理想情况下，成功在速度层上实现机械臂实际末端轨迹对理想轨迹的跟踪控制。同时，通过引入外推法，实现在控制信号可能丢失情况下的控制模型，提高机械臂运动规划控制精度，以解决机械臂末端跟踪性能下降的问题。

A method to improve the control accuracy of manipulator motion planning

【技术实现步骤摘要】
一种提高机械臂运动规划控制精度的方法
本专利技术涉及机械臂控制领域，更具体地，涉及一种提高机械臂运动规划控制精度的方法。
技术介绍
机器人作为一个蓬勃发展的研究领域，已经在工业和服务业等产业中有相当广泛的应用场景，比如工业中的喷浆机器人、焊接机器人、车载机械臂等和服务业中客服机器人、康复辅助机器人等。许多机器人控制问题都可以归类为机械臂运动规划控制问题，解决此类问题的关键是得到有效的机械臂运动规划控制模型，使机械臂在某些约束条件下转动关节角达到末端轨迹跟踪理想轨迹的要求。机械臂控制系统通常分为离线控制系统和在线控制系统。对于机械臂离线控制系统，已经存在研究成熟的技术。然而，机械臂在线控制系统具有更广泛的应用场景和更重要的研究价值。机械臂在线控制系统依赖于计算机和机械臂之间可靠的通讯模块，但是在复杂的环境中，数据链路受干扰的现象普遍存在，造成控制信号丢失的情况时有发生。过去的研究多涉及在理想环境对机器臂运动进行在线规划控制。由于在实际应用中，数据链路在电磁或其它物理干扰下控制信号会出现丢失的情况，而控制信号丢失时会造成控制失效和跟踪性能下降等问题。
技术实现思路
为克服上述现有技术与方法的不足，本专利技术提出了一种提高机械臂运动规划控制精度的方法。本专利技术采用动力学方法，在理想情况下，成功在速度层上实现机械臂实际末端轨迹对理想轨迹的跟踪控制。同时，通过引入外推法，实现在控制信号可能丢失情况下的控制模型，以解决机械臂末端跟踪性能下降的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种提高机械臂运动规划控制精度的方法，包括以下步骤：根据机械臂的机械机构，得到机械臂的数学模型；根据机械臂的数学模型，通过动力学理论分析，得到机械臂的控制模型；根据机械臂的控制模型，利用欧拉公式和外推法进行求解；根据求解结果对机械臂的运动进行控制。本专利技术中，考虑到在实际应用中，控制器和机械臂之间的链路传输中可能会发生控制信号丢失的情况，从而引起跟踪误差增大和控制模型跟踪性能下降等问题。因此引入外推法，在控制信号可能丢失情况下，实现机械臂的高精度运动规划控制。在一种优选的方案中，所述的机械臂的数学模型通过下式进行表达：其中，所述的k表示第k时刻，所述的f(·)为非线性映射函数，所述的θk为第k时刻的机械臂的关节角的角度，所述的为实际的第k时刻的机械臂的末端轨迹，所述的为理想的第k时刻的机械臂的末端轨迹，所述的为第k时刻的机械臂的关节角的角度的时间导数，所述的为实际的第k时刻的机械臂的末端轨迹的时间导数，所述的J(·)是雅可比矩阵。在一种优选的方案中，所述的机械臂的控制模型通过下式进行表达：所述的g(·)为动力学映射函数，所述的为第k-1时刻的机械臂的关节角的角速度；若信号传输成功，则θk利用欧拉公式通过下式进行表达：所述的h为控制间隔；所述的θk用于控制机械臂的关节的运动；若信号传输失败，则θk利用外推公式通过下式进行表达：θk＝2θk-1-θk-2。在一种优选的方案中，所述的h＝0.03s。在一种优选的方案中，基于张动力学理论分析，所述的通过下式进行表达：所述的J+(θk-1)为雅可比矩阵J(θk-1)的伪逆矩阵，所述的为理想的第k-1时刻的机械臂的末端轨迹的时间导数，所述的λ为张动力学设计参数且λ＞0。在一种优选的方案中，所述的λ＝33。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术采用动力学方法，在理想情况下，成功在速度层上实现机械臂实际末端轨迹对理想轨迹的跟踪控制。同时，通过引入外推法，实现在控制信号可能丢失情况下的控制模型，提高机械臂运动规划控制精度，以解决机械臂末端跟踪性能下降的问题。附图说明图1为实施例2的流程图；图2为实施例中六连杆机器臂模型的示意图；图3为实施例1的机械臂运动示意图；图4为实施例1的末端跟踪示意图；图5为实施例1的误差||e||示意图；图6为实施例2的机械臂运动示意图；图7为实施例2的末端跟踪示意图；图8为实施例2的误差||e||示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。实施例1是现有的控制信号可能丢失情况下的无策略的张动力学模型，实施例2是本专利在控制信号可能丢失情况下的外推策略的张动力学模型。如图2所示，实施例1和实施例2以六连杆机器臂模型为依据。实施例1一种机械臂运动规划控制的方法，包括以下步骤：根据机械臂的机械机构，得到机械臂的数学模型，数学模型通过下式进行表达：k表示第k时刻，f(·)为非线性映射函数，θk为第k时刻的机械臂的关节角的角度，为实际的第k时刻的机械臂的末端轨迹，为理想的第k时刻的机械臂的末端轨迹，为第k时刻的机械臂的关节角的角度的时间导数，为实际的第k时刻的机械臂的末端轨迹的时间导数，J(·)是雅可比矩阵；根据机械臂的数学模型，通过动力学理论分析，得到机械臂的控制模型，控制模型通过下式进行表达：g(·)为动力学映射函数，为第k-1时刻的机械臂的关节角的角速度，若信号传输成功，则θk利用欧拉公式通过下式进行表达：h为控制间隔；θk用于控制机械臂的关节的运动；若信号传输失败，则θk利用外推公式通过下式进行表达：θk＝θk-1；基于张动力学理论分析，通过下式进行表达：所述的J+(θk-1)为雅可比矩阵J(θk-1)的伪逆矩阵，所述的为理想的第k-1时刻的机械臂的末端轨迹的时间导数，所述的λ为张动力学设计参数且λ＞0。根据求解结果对机械臂的运动进行控制。实施例2如图1所示，一种提高机械臂运动规划控制精度的方法，包括以下步骤：根据机械臂的机械机构，得到机械臂的数学模型，数学模型通过下式进行表达：k表示第k时刻，f(·)为非线性映射函数，θk为第k时刻的机械臂的关节角的角度，为实际的第k时刻的机械臂的末端轨迹，为理想的第k时刻的机械臂的末端轨迹，为第k时刻的机械臂的关节角的角度的时间导数，为实际的第k时刻的机械臂的末端轨迹的时间导数，J(·)是雅可比矩阵；根据机械臂的数学模型，通过动力学理论分析，得到机械臂的控制模型，控制模型通过下式进行表达：g(·)为动力学映射函数，为第k-1时刻的机械臂的关节角的角速度；根据机械臂的控制模型，利用欧拉公式和外推法进行求解；若信号传输成功，则θk利用欧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高机械臂运动规划控制精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n根据机械臂的机械机构，得到机械臂的数学模型；/n根据机械臂的数学模型，通过动力学理论分析，得到机械臂的控制模型；/n根据机械臂的控制模型，利用欧拉公式和外推法进行求解；/n根据求解结果对机械臂的运动进行控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高机械臂运动规划控制精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据机械臂的机械机构，得到机械臂的数学模型；
根据机械臂的数学模型，通过动力学理论分析，得到机械臂的控制模型；
根据机械臂的控制模型，利用欧拉公式和外推法进行求解；
根据求解结果对机械臂的运动进行控制。


2.根据权利要求1所述的提高机械臂运动规划控制精度的方法，其特征在于，所述的机械臂的数学模型通过下式进行表达：






其中，所述的k表示第k时刻，所述的f(·)为非线性映射函数，所述的θk为第k时刻的机械臂的关节角的角度，所述的为实际的第k时刻的机械臂的末端轨迹，所述的为理想的第k时刻的机械臂的末端轨迹，所述的为第k时刻的机械臂的关节角的角度的时间导数，为实际的第k时刻的机械臂的末端轨迹的时间导数，所述的J(·)是雅可比矩阵。


3.根据权利要求2所述的提高机械臂运动规划控制精度的方法，其特征在于，所述的机械臂的控制模型通过下式进行表...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨浓，凌一宏，黄焕昌，施妮妮，毛明志，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44