一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法、微控单元及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法，属于控制技术领域，包括以下步骤：S1：对每个机器人进行网络化，在无循环划分的分组形式上加入双边机制，设计网络化通信拓扑；S2：分析多个机器人的运动学和动力学，搭建拉格朗日型机器人模型；S3：设计自适应力矩控制器，确定分布式分群控制协议；S4：将分布式分群控制协议输送至每个机器人的执行单元，通过分布式的局部控制实现多机器人的协同控制效果。器人的协同控制效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法、微控单元及控制系统


[0001]本专利技术属于控制
，具体涉及一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法、微控单元及控制系统。

技术介绍

[0002]拉格朗日动力学方程可以很好地模拟一类工业机器人动力学，以疗养机器人、康复机器人为代表的新式服务型机器人逐渐走进医疗健康、养老助残等领域。一方面，动作辅助机器人在外形人性化、功能多样化的方面仍然面临着技术支撑的缺失，关于这一问题的解决一是研发全面柔性的机器人机构，二则是发挥群体机器人协同的功能。另一方面，无论是对于动作辅导还是对于康复训练机器人，其主躯干的动作都是复杂且规范的，因此协同的结果也应该面向复合人体常规动作的完成。结合以上提到的两点，并考虑人体躯干动作大部分具有中心对称的特点，在具有分群结构的多机器人协同系统中添加双边机制以实现具有中心对称的复杂动作也就因此为提升医疗机器人的服务水平提供了一种有效的方案。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的问题和不足，本专利技术的目的旨在提供一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法、微控单元及控制系统。
[0004]为实现专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]本专利技术第一方面提供一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法，包括以下步骤：
[0006]1.一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1：对每个机器人进行网络化，在无循环划分的分组形式上加入双边机制，设计网络化通信拓扑；
[0008]S2：分析多个机器人的运动学和动力学，建立高阶非线性拉格朗日方程
[0009][0010]其中，分别为广义坐标和广义速度，M
i
(q
i
)∈R
n
×
n
是对称正定惯量矩阵，只与广义坐标有关，是科里奥利与离心力矩阵，G
i
(q
i
)∈R
n
是广义有势力，τ
i
∈R
n
是输入力矩向量；
[0011]对参数不确定的拉格朗日的动力学，其关于定常参数有线性回归特性：
[0012][0013]其中是该参数不确定方程关于常数参数θ
i
的线性回归矩阵，x，y是空间R
n
中任意的可微向量；
[0014]S3：基于步骤S1设计的网络化通信拓扑和步骤S2搭建的拉格朗日机器人模型，设
计自适应力矩控制器，确定分布式分群控制协议；
[0015]S4：将分布式分群协议输送至每个机器人的执行模块，通过分布式的局部控制实现多机器人的协同控制效果。
[0016]进一步地，步骤S1中所述设计网络化通信拓扑的过程包括：
[0017]假设多机器人系统要求N个机器人分为k组完成系统任务，则设其通信拓扑为是的的节点集，是的的边集，是的边权集,为其索引集；分k组即是对图的划分满足：设以及相应的，设图的邻接矩阵为设其拉普拉斯矩阵为
[0018]进一步地，对于无循环划分的分组，所述图的邻接矩阵和拉普拉斯矩阵在直观上有下三角形的特点：
[0019][0020]还要求：
[0021]每个对应的有生成树；
[0022]与之间是出入度平衡的，即是A
ij
的属于简单特征值0的特征向量。
[0023]进一步地，对于加入了双边机制的通信拓扑拓扑，要求：
[0024]每个对应的有生成树；
[0025]每个对应的是结构平衡的，即存在矫正矩阵使得Φ
j
A
jj
Φ
j
的元素非负；
[0026]与之间是出入度结构平衡的，即对于以上的矫正矩阵(引用出处不清)，是Φ
i
A
ij
Φ
j
的属于简单特征值0的特征向量。
[0027]进一步地，步骤S3中所述确定分布式分群控制协议的过程包括：
[0028]首先，对于机器人i给出滑模向量
[0029]再用积分滑模向量定义参考速度，其中α
i
是耦合常系数；
[0030]确定误差向量(辅助速度向量)为
[0031]最后，给出第i个机器人所服从的分群控制协议其中，K
i
是一个对称正定矩阵，是常数参数向量θ
i
的估计值且满足自适应律：
[0032][0033]这里Δ
i
是对称正定的耦合矩阵，是动力学方程关于常数参数向量θ
i
的
回归矩阵。
[0034]本专利技术第二方面提供一种通用型微控制单元，载有能执行上述控制方法的自适应力矩控制协议或程序。
[0035]本专利技术第三部分提供一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制系统，包括多个移动机器人、数据处理模块、通信模块、控制模块和执行模块；每个移动机器人包括电源单元、通信单元、数据收集单元、控制单元和执行单元；所述控制单元中设有微控单元；数据处理单元将收集到的信息输送至控制单元；控制单元将控制协议转换为执行单元可读的控制语言并输送至执行单元，执行单元按照控制信息的指令控制多个移动机器人的自主运动和协同配合，执行第一方面所述的控制方法。
[0036]进一步地，所述数据处理模块由各机器人的数据处理单元及主机数据读取器组成，所述主机数据读取器独立于多个机器人之外，其作为远程端根据场景对系统进行分析；所述通信模块由各机器人的通信单元组成，并采取局域网通信、无线网通信的方法实现分布式协同的目标。
[0037]进一步地，所述数据处理单元包括惯性传导器，所述惯性传导器搭载于移动机器人上，获得移动机器人的实时位置信息和姿态信息；所述执行单元上配置有编码器，能够实时获取电机的速度信息。
[0038]本专利技术第四方面提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现本专利技术第一方面所述的基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法中的任一步骤。
[0039]本专利技术第五方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序经计算机处理器执行时实现本专利技术第一方面的基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法中的任一步骤。
[0040]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0041]本专利技术为多机器人系统在多重复合任务的应用上提供了一种基于双边机制的分布式分群控制方法，涉及非线性机器人、双边拓扑通信、分布式控制、一致性算法和分群协同等内容。
[0042]相较于一般线性系统的多机器人系统，拉格朗日型机器人能够实现高自由度的动作，完成更加精密的工作。在确定通信结构方面，相较于单边无划分结构，基于双边机制对多个拉格朗日型机器人进行无循环划分分组的方法能够更加适应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双边机制的网络化机器人分布式分群控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对每个机器人进行网络化，在无循环划分的分组形式上加入双边机制，设计网络化通信拓扑；S2：分析多个机器人的运动学和动力学，建立高阶非线性拉格朗日模型其中，分别为广义坐标和广义速度，M
i
(q
i
)∈R
n
×
n
是对称正定惯量矩阵，只与广义坐标有关，是科里奥利与离心力矩阵，G
i
(q
i
)∈R
n
是广义有势力，τ
i
∈R
n
是输入力矩向量；对参数不确定的拉格朗日的动力学，其关于定常参数有线性回归特性：其中是该参数不确定方程关于常数参数θ
i
的线性回归矩阵，x，y是空间R
n
中任意的可微向量；S3：基于步骤S1设计的网络化通信拓扑和步骤S2搭建的拉格朗日机器人模型，设计自适应力矩控制器，确定分布式分群控制协议；S4：将分布式分群控制协议输送至每个机器人的执行单元，通过分布式的局部控制实现多机器人的协同控制效果。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S2中所述设计网络化通信拓扑的过程包括：假设多机器人系统要求N个机器人分为k组完成系统任务，则设图对应于N个机器人组成的网络化系统的通信拓扑图，是的的节点集，是的的边集，是的边权集,为其索引集；分k组即是对图的划分满足：设以及相应的，设图的邻接矩阵为设其拉普拉斯矩阵为3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，对于无循环划分的分组，所述图的邻接矩阵和拉普拉斯矩阵在直观上有下三角形的特点：还要求：每个对应的有生成树；与之间是出入度平衡的，即是A
ij
的属于简单特征值0的特征向量。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，对于加了双边机制的通信拓扑，要求：
每个对应的有生成树；每个对应的是结构平衡的，即存在矫正矩阵使得Φ
j
A
jj
Φ
j
的元素非负；与之间是出入度结构平衡的，即基于矫正矩阵之间是出入度结构平衡的，即基于矫正矩阵是Φ
i<...

【专利技术属性】
技术研发人员：马新茹，李恒宇，刘靖逸，刘军，王曰英，谢少荣，罗均，
申请(专利权)人：济宁学院，
类型：发明
国别省市：