一种机械臂多关节联动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种机械臂多关节联动控制方法，所述控制方法包括，首先，构建机械臂控制系统框架，控制系统框架包括控制层、模型层和规划层；其次，在模型层构建机械臂固定基坐标系、多个臂架关节的坐标系和不同构型下多个臂架关节的数学模型；然后，基于多个臂架关节的数学模型以及机械臂的使用工况，在控制层构建机械臂不同构型下的运动学反解算法；最后，基于运动学反解算法，在规划层规划所述机械臂的各个臂架关节的轨迹函数。上述控制方法和控制系统框架可推广到通用工程机械上、实现工程机械的高精度、智能化控制。

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂多关节联动控制方法
本专利技术属于工程机械领域，特别涉及一种机械臂多关节联动控制方法。
技术介绍
现有随车工程机械臂的控制可分为单关节控制和基于末端运动的多关节联动控制两种，其中第一种广泛应用于挖掘机、混凝土泵车等各种工程机械，第二种方式主要针对具备智能臂架技术的混凝土泵车，通过给定泵车机械臂末端软管移动速度和方向自行规划每个机械臂架的姿态和速度。目前，具备智能臂架技术的泵车一般采用遥控器进行控制，但是目前上述控制方法仅应用于臂架全部为转动关节的平面型少自由度或冗余自由度工程机械，如混凝土泵车，且仅能在人工辅助干预下实现开环的位置和姿态控制，控制精度低、操作繁琐、直观性差。此外，一些工程机械臂采用的控制方式为开环控制、只针对于目标位置已知的情况，无法适用于遥操作情况下的工程机械臂高精度智能化控制。因此，如何提供一种适用于臂架类空间冗余自由度工程机械的高精度智能化控制系统及控制方法越来越成为亟待解决的技术难题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种机械臂多关节联动控制方法，所述控制方法普适性强，且控制精度更高。本专利技术的目的在于提供一种机械臂多关节联动控制方法，所述控制方法包括，构建机械臂控制系统框架，控制系统框架包括控制层、模型层和规划层；在模型层构建机械臂固定基坐标系、多个臂架关节的坐标系和多个臂架关节数学模型；基于多个臂架关节的数学模型以及机械臂的使用工况，在控制层构建机械臂的运动学反解算法；基于运动学反解算法，在规划层规划所述机械臂的各个臂架关节的轨迹函数。进一步地，在模型层构建机械臂固定基坐标系、多个臂架关节的坐标系和多个臂架关节数学模型包括，在机械臂回转基座处建立固定的基座标系；确定机械臂的机械臂构型，并获取机械臂中多个臂架关节中各个臂架关节的伸长量及关节转角；基于基坐标系、机械臂构型、各个臂架关节的伸长量和关节转角，建立多个臂架关节的坐标系，并利用DH法建立多个臂架关节的数学模型。进一步地，所述机械臂构型包括冗余机械臂和定杆长约束机械臂，其中，所述机械臂构型为冗余机械臂时，所述冗余机械臂包括六个转动副和一个移动副，具备空间六个自由度，且多个臂架的坐标系满足：第一个臂架关节至第七个臂架关节的坐标系包括X轴和Z轴，第八个臂架关节的坐标系包括X轴、Y轴和Z轴；所述多个臂架关节的数学模型满足：初始状态下，任意相邻两个臂架关节的坐标系绕Z轴的夹角均为0；第二个臂架与第三个臂架关节的坐标系、第四个臂架与第五个臂架关节的坐标系、第六个臂架与第七个臂架关节的坐标系以及第七个臂架与第八个臂架关节的坐标系的X轴在Z轴方向的偏移分别为d3、d6、d7、d8；第一个臂架与第二个臂架关节的坐标系、第二个臂关节与第三个臂架关节的坐标系、第四个臂架与第五个臂架关节的坐标系以及第五个臂架与第六个臂架关节的坐标系的Z轴在X轴方向的偏移分别为-a1、a2、-a4、-a5；所述移动副的伸缩距离为L4；所述机械臂构型为定杆长约束机械臂时，所述定杆长约束机械臂包括六个转动副，具备空间六个自由度，且多个臂架关节的坐标系满足：第一个臂架关节至第六个臂架关节的坐标系包括X轴和Z轴，第七个臂架关节的坐标系包括X轴、Y轴和Z轴；所述多个臂架关节的数学模型满足：初始状态下，任意相邻两臂架关节的坐标系绕Z轴的夹角均为0；第二个臂架与第三个臂架关节的坐标系、第四个臂架与第五个臂架关节的坐标系、第五个臂架与第六个臂架关节的坐标系以及第六个臂架与第七个臂架关节的坐标系的X轴在Z轴方向的偏移分别为d3、d5、d6、d7；第一个臂架与第二个臂架关节的坐标系、第二个臂架与第三个臂架关节的坐标系、第三个臂架与第四个臂架关节以及第四个臂架与第五个臂架关节的坐标系的Z轴在X轴方向的偏移分别为-a1、a2、a3、a4；初始状态下，所述移动副的伸缩距离为0。进一步地，所述运动学反解算法包括冗余自由度数值解和空间六自由度解析解。进一步地，所述基于多个臂架关节的数学模型以及机械臂的使用工况，在控制层构建机械臂的运动学反解算法包括构建冗余自由度数值解，其中，包括，基于多个臂架关节的数学模型，设定冗余机械臂末端的位姿为(x,y,z,α,β,γ)，其中，(x,y,z)表示机械臂末端在空间中的位置，(α,β,γ)表示机械臂末端在空间中的姿态，且所述冗余机械臂中从回转基座到第三个臂架和第四个臂架到第七个臂架中相邻两臂架关节坐标系绕Z轴的夹角分别为θ1,θ2,θ3,θ5,θ6,θ7，以及冗余机械臂中各个驱动缸的缸体伸长量分别为l2,l3,l4,l5,l6；分别确定以下函数关系：冗余机械臂末端的位姿与θ1,θ2,θ3,θ5,θ6,θ7和l4的函数关系、冗余机械臂中θ2,θ3,θ5,θ6分别与相应的l3,l4,l5,l6之间的函数关系、冗余机械臂末端速度与冗余机械臂中第一个臂架关节至第七个臂架关节的角速度之间的函数关系、冗余机械臂中与之间的函数关系，其中，为第一个臂架与第二个臂架之间驱动缸、第二个臂架与第三个臂架之间驱动缸、第四个臂架与第五个臂架之间驱动缸的缸体伸长量、第五个臂架与第六个臂架之间驱动缸的伸缩速度；第二个臂架关节、第三个臂架关节、第五个臂架关节以及第六个臂架关节的角速度。进一步地，所述冗余机械臂末端的位姿与θ1,θ2,θ3,θ5,θ6,θ7和l4的函数关系：x＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)y＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)z＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)α＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)β＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)γ＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)；所述冗余机械臂中θ2,θ3,θ5,θ6分别与相应的l3,l4,l5,l6之间的函数关系：θ2＝g(l2)θ3＝g(l3)θ5＝g(l5)θ6＝g(l6)；所述冗余机械臂末端速度与冗余机械臂中第一个臂架关节至第七个臂架关节的角速度之间的函数关系为：其中，表示冗余机械臂末端速度在位姿中的速度分量，表示第一个臂架关节至第七个臂架关节的关节角速度，fx、fy、fγ表示位姿中各参数的因变量；所述冗余机械臂中与之间的函数关系：进一步地，基于多个臂架关节的数学模型以及机械臂的使用工况，在控制层构建机械臂的运动学反解算法还包括构建空间六自由度解析解，其中，包括，基于多个臂架关节的数学模型，设定定杆长约束机械臂末端的位姿为(px,py,pz,α,β,γ)，其中，(px,py,pz)表示定杆长约束机械臂末端在空间中的末端位置，(α,β,γ)表示定杆长约束机械臂末端在空间中的姿态，且定杆长约束机械臂中从第一个臂架至第四个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械臂多关节联动控制方法，其特征在于，所述控制方法包括，/n构建机械臂控制系统框架，控制系统框架包括控制层、模型层和规划层；/n在模型层构建机械臂固定基坐标系、多个臂架关节的坐标系和多个臂架关节数学模型；/n基于多个臂架关节的数学模型以及机械臂的使用工况，在控制层构建机械臂的运动学反解算法；/n基于运动学反解算法，在规划层规划所述机械臂的各个臂架关节的轨迹函数。/n

【技术特征摘要】
1.一种机械臂多关节联动控制方法，其特征在于，所述控制方法包括，
构建机械臂控制系统框架，控制系统框架包括控制层、模型层和规划层；
在模型层构建机械臂固定基坐标系、多个臂架关节的坐标系和多个臂架关节数学模型；
基于多个臂架关节的数学模型以及机械臂的使用工况，在控制层构建机械臂的运动学反解算法；
基于运动学反解算法，在规划层规划所述机械臂的各个臂架关节的轨迹函数。


2.根据权利要求1所述的机械臂多关节联动控制方法，其特征在于，在模型层构建机械臂固定基坐标系、多个臂架关节的坐标系和多个臂架关节数学模型包括，
在机械臂回转基座处建立固定的基座标系；
确定机械臂的机械臂构型，并获取机械臂中多个臂架关节中各个臂架关节的伸长量及关节转角；
基于基坐标系、机械臂构型、各个臂架关节的伸长量和关节转角，建立多个臂架关节的坐标系，并利用DH法建立多个臂架关节的数学模型。


3.根据权利要求2所述的机械臂多关节联动控制方法，其特征在于，所述机械臂构型包括冗余机械臂和定杆长约束机械臂，其中，
所述机械臂构型为冗余机械臂时，所述冗余机械臂包括六个转动副和一个移动副，具备空间六个自由度，且多个臂架的坐标系满足：
第一个臂架关节至第七个臂架关节的坐标系包括X轴和Z轴，第八个臂架关节的坐标系包括X轴、Y轴和Z轴；
所述多个臂架关节的数学模型满足：
初始状态下，任意相邻两个臂架关节的坐标系绕Z轴的夹角均为0；
第二个臂架与第三个臂架关节的坐标系、第四个臂架与第五个臂架关节的坐标系、第六个臂架与第七个臂架关节的坐标系以及第七个臂架与第八个臂架关节的坐标系的X轴在Z轴方向的偏移分别为d3、d6、d7、d8；
第一个臂架与第二个臂架关节的坐标系、第二个臂关节与第三个臂架关节的坐标系、第四个臂架与第五个臂架关节的坐标系以及第五个臂架与第六个臂架关节的坐标系的Z轴在X轴方向的偏移分别为-a1、a2、-a4、-a5；
所述移动副的伸缩距离为L4；
所述机械臂构型为定杆长约束机械臂时，所述定杆长约束机械臂包括六个转动副，具备空间六个自由度，且多个臂架关节的坐标系满足：
第一个臂架关节至第六个臂架关节的坐标系包括X轴和Z轴，第七个臂架关节的坐标系包括X轴、Y轴和Z轴；
所述多个臂架关节的数学模型满足：
初始状态下，任意相邻两臂架关节的坐标系绕Z轴的夹角均为0；
第二个臂架与第三个臂架关节的坐标系、第四个臂架与第五个臂架关节的坐标系、第五个臂架与第六个臂架关节的坐标系以及第六个臂架与第七个臂架关节的坐标系的X轴在Z轴方向的偏移分别为d3、d5、d6、d7；
第一个臂架与第二个臂架关节的坐标系、第二个臂架与第三个臂架关节的坐标系、第三个臂架与第四个臂架关节以及第四个臂架与第五个臂架关节的坐标系的Z轴在X轴方向的偏移分别为-a1、a2、a3、a4；
初始状态下，所述移动副的伸缩距离为0。


4.根据权利要求3所述的机械臂多关节联动控制方法，其特征在于，所述运动学反解算法包括冗余自由度数值解和空间六自由度解析解。


5.根据权利要求4所述的机械臂多关节联动控制方法，其特征在于，所述基于多个臂架关节的数学模型以及机械臂的使用工况，在控制层构建机械臂的运动学反解算法包括构建冗余自由度数值解，其中，包括，
基于多个臂架关节的数学模型，设定冗余机械臂末端的位姿为(x,y,z,α,β,γ)，其中，(x,y,z)表示机械臂末端在空间中的位置，(α,β,γ)表示机械臂末端在空间中的姿态，且所述冗余机械臂中从回转基座到第三个臂架和第四个臂架到第七个臂架中相邻两臂架关节坐标系绕Z轴的夹角分别为θ1,θ2,θ3,θ5,θ6,θ7，以及冗余机械臂中各个驱动缸的缸体伸长量分别为l2,l3,l4,l5,l6；
分别确定以下函数关系：
冗余机械臂末端的位姿与θ1,θ2,θ3,θ5,θ6,θ7和l4的函数关系、冗余机械臂中θ2,θ3,θ5,θ6分别与相应的l3,l4,l5,l6之间的函数关系、冗余机械臂末端速度与冗余机械臂中第一个臂架关节至第七个臂架关节的角速度之间的函数关系、冗余机械臂中与之间的函数关系，其中，为第一个臂架与第二个臂架之间驱动缸、第二个臂架与第三个臂架之间驱动缸、第四个臂架与第五个臂架之间驱动缸的缸体伸长量、第五个臂架与第六个臂架之间驱动缸的伸缩速度；第二个臂架关节、第三个臂架关节、第五个臂架关节以及第六个臂架关节的角速度。


6.根据权利要求5或所述的机械臂多关节联动控制方法，其特征在于，
所述冗余机械臂末端的位姿与θ1,θ2,θ3,θ5,θ6,θ7和l4的函数关系：
x＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)
y＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)
z＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)
α＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)
β＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)
γ＝f(θ1,θ2,θ3,l4,θ5,θ6,θ7)；
所述冗余机械臂中θ2,θ3,θ5,θ6分别与相应的l3,l4,l5,l6之间的函数关系：
θ2＝g(l2)
θ3＝g(l3)
θ5＝g(l5)
θ6＝g(l6)；
所述冗余机械臂末端速度与冗余机械臂中第一个臂架关节至第七个臂架关节的角速度之间的函数关系为：



其中，表示冗余机械臂末端速度在位姿中的速度分量，表示第一个臂架关节至第七个臂架关节的关节角速度，fx、fy、fγ表示位姿中各参数的因变量；
所述冗余机械臂中与之间的函数关系：














7.根据权利要求4所述的机械臂多关节联动控制方法，其特征在于，基于多个臂架关节的数学模型以及机械臂的使用工况，在控制层构建机械臂的运动学反解算法还包括构建空间六自由度解析解，其中，包括，
基于多个臂架关节的数学模型，设定定杆长约束机械臂末端...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志斌，奚子洋，郑旭，李腾飞，步海明，冯锋，唐强，
申请(专利权)人：北京轩宇智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11