一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法技术

一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，涉及碰撞响应领域。本发明专利技术是为了解决目前的机械臂碰撞响应方法还无法实现控制状态的平滑切换，进而导致机械臂作业安全性低的问题。本发明专利技术包括：建立机械臂动力学回归模型；设计机械臂的阈函数β(τ

【技术实现步骤摘要】
一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法


[0001]本专利技术涉及碰撞响应领域，特别涉及一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法。

技术介绍

[0002]机械臂是能模仿人类手臂功能完成各项作业任务的自动控制设备，具体有高精度、承受能力强、刚性强的特点。机械臂的运动都是按照接收到的指令进行的，因此并不具备灵敏检测以及响应外界碰撞的能力，所以在作业过程中极易会发生机械臂发生碰撞的情况，从而影响作业的安全性。合理的碰撞响应能力可保证机械臂自身及周围环境的安全，因此机械臂碰撞响应成为本领域的研究重点。
[0003]目前最简单的碰撞响应策略就是使机械臂停止或者朝着远离碰撞的方向运动。但是这种方法虽然保证了机械臂在遭到意外冲击时的安全性，但这种方式无法对人机交互场景进行合理响应。因此本领域的技术人员又提出了基于柔顺控制的碰撞响应策略，这种方法不仅能缓冲机械臂所受意外冲击力，还可确保人机交互的安全，是目前广泛使用的碰撞响应方法。但现有基于柔顺控制的碰撞响应方法通常在检测到碰撞后采用“硬切换”方式将控制模式从位置控制切换到柔顺控制，容易控制量突变甚至系统失稳的问题，从而导致碰撞响应方法难以实现控制状态平滑切换，进而影响机械臂的作业安全性。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是为了解决目前的机械臂碰撞响应方法还无法实现控制状态的平滑切换，进而导致机械臂作业安全性低的问题，而提出了一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法。
[0005]一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法具体过程为：
[0006]步骤一、建立机械臂动力学回归模型；
[0007]步骤二、设计机械臂的阈函数β(τ
ext
)，并根据阈函数β(τ
ext
)获取机械臂平滑切换函数ω；
[0008]步骤三、根据步骤二设计的平滑切换函数获取机械臂关节控制力矩；
[0009]步骤四、将步骤三获得的机械臂关节控制力矩代入步骤一建立的机械臂动力学回归模型中，获取机械臂碰撞的平滑切换方式：
[0010]若机械臂没有受到外力则阈函数β(τ
ext
)＜0，平滑切换函数ω＝1，机械臂则在位置控制模式下工作，若机械臂受到外力作用则阈函数β(τ
ext
)＞0，平滑切换函数ω＝0，机械臂则在柔顺控制模式下工作。
[0011]本专利技术的有益效果为：
[0012]本专利技术提出的碰撞响应方法使机械臂在发生碰撞后可以做出合理响应，为机械臂及周围环境提供了安全保障。本专利技术通过设计可实现平滑切换的关节控制力矩解决了现有基于柔顺控制的碰撞响应方法采用“硬切换”方式所带来的控制量突变甚至系统失稳的问
题，确保了机械臂系统的稳定性。且本专利技术易于工程实现。
附图说明
[0013]图1为本专利技术中机械臂碰撞响应的工作原理图；
[0014]图2为本专利技术的切换函数图形解释图。
具体实施方式
[0015]具体实施方式一：本实施方式一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法具体过程为：
[0016]步骤一、建立机械臂动力学回归模型；
[0017]步骤二、设计机械臂的阈函数β(τ
ext
)，并根据阈函数β(τ
ext
)获取机械臂平滑切换函数ω；
[0018]步骤三、根据步骤二设计的平滑切换函数获取机械臂关节控制力矩；
[0019]步骤四、将步骤三获得机械臂关节控制力矩代入步骤一建立的机械臂动力学回归模型中，获取机械臂碰撞的响应方式：
[0020]判断机械臂是否受到外力作用，若机械臂没有受到外力则阈函数β(τ
ext
)＜0，平滑切换函数ω＝1，机械臂则在位置控制模式下工作，若机械臂受到外力作用则阈函数β(τ
ext
)＞0，平滑切换函数ω＝0，机械臂则在柔顺控制模式下工作；
[0021]步骤五、验证机械臂系在没有受到外力时在位置控制模式下工作以及机械臂系统受到外力在柔顺控制模式下工作是否稳定。
[0022]具体实施方式二：所述步骤一中的建立机械臂动力学回归模型，如下：
[0023]利用牛顿拉格朗日法建立机械臂动力学模型并对模型进行线性化，具体如下：
[0024][0025]其中，q，分别为机械臂关节位置、速度、加速度；M(q)，D，g(q)分别为机械臂的惯量矩阵、粘性摩擦矩阵、重力向量；为机械臂的科氏力和向心力矩阵；为机械臂关于的回归矩阵；p为机械臂动力学参数向量；τ
m
，τ
ext
分别为机械臂关节控制力矩和所受外力矩。
[0026]具体实施方式三：所述步骤二中的设计机械臂的阈函数β(τ
ext
)，并根据阈函数β(τ
ext
)获取机械臂平滑切换函数ω，具体包括以下步骤；
[0027]步骤二一、设计机械臂的阈函数β(τ
ext
)，如下式：
[0028][0029]其中，R
i
为机械臂第i个关节的阈值，是人为设定的，取值范围通常为0.3～0.5，i∈[1,n]是机械臂关节的标号，n是机械臂关节的总数量，τ
ex
t
,i
为τ
ext
的第i个分量，即机械臂第i个关节所受力矩；
[0030]步骤二二、根据阈函数β(τ
ext
)获取机械臂平滑切换函数：
[0031][0032]其中，κ为切换函数；
[0033]当阈函数β(τ
ext
)＜0，切换函数ω＝1；当阈函数β(τ
ext
)＞0，切换函数ω＝0。由公式(3)可知，切换函数ω是二阶连续的，因此ω在0和1之间的切换是平滑的。
[0034]其中，当τ
ext
的任一分量大于对应预设关节阈值(任一机械臂关节所受外力矩大于对应预设关节阈值)时，阈函数β(τ
ext
)的值大于零；当τ
ext
的所有分量都小于对应的预设关节阈值(机械臂中所有关节所受外力矩小于对应预设关机阈值)时，阈函数β(τ
ext
)的值小于零。
[0035]具体实施方式四：所述步骤三中的根据步骤二设计的平滑切换函数获取机械臂关节控制力矩，包括以下步骤：
[0036]步骤三一、根据步骤二获得的平滑切换函数定义机械臂参考速度向量：
[0037][0038]其中，q
d
为机械臂期望跟踪位置，e
q
＝q
‑
q
d
为机械臂位置误差，λ
q
为位置误差系数，为大于0的常数，是为机械臂期望跟踪速度。
[0039]步骤三二、利用步骤三一获得的机械臂参考速度向量定义机械臂滑动向量：
[0040][0041]步骤三三、利用步骤三一获得的机械臂参考速度向量和机械臂滑动向量获取机械臂关节控制力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤一、建立机械臂动力学回归模型；步骤二、设计机械臂的阈函数β(τ
ext
)，并根据阈函数β(τ
ext
)获取机械臂平滑切换函数ω；步骤三、根据步骤二设计的平滑切换函数获取机械臂关节控制力矩；步骤四、将步骤三获得的机械臂关节控制力矩代入步骤一建立的机械臂动力学回归模型中，获取机械臂碰撞的平滑切换方式：若机械臂没有受到外力则阈函数β(τ
ext
)＜0，平滑切换函数ω＝1，机械臂则在位置控制模式下工作，若机械臂受到外力作用则阈函数β(τ
ext
)＞0，平滑切换函数ω＝0，机械臂则在柔顺控制模式下工作；所述位置控制模式为根据机械臂运动位置进行控制，机械臂运动位置收敛于期望位置；所述柔顺控制模块为根据机械臂外力矩对机械臂进行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，其特征在于：所述步骤一中的机械臂动力学回归模型，如下式：其中，q，分别为机械臂关节位置、速度、加速度；M(q)，D，g(q)分别为机械臂的惯量矩阵、粘性摩擦矩阵、重力向量；为机械臂的科氏力和向心力矩阵；为机械臂关于的回归矩阵；p为机械臂动力学参数向量；τ
m
，τ
ext
分别为机械臂关节控制力矩和所受外力矩。3.根据权利要求2所述的一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，其特征在于：所述步骤二中的机械臂的阈函数β(τ
ext
)，如下：其中，R
i
为机械臂第i个关节的阈值，是人为设定的，取值范围通常为0.3～0.5，i∈[1,n]是机械臂关节的标号，n是机械臂关节的总数量，τ
ext,i
为τ
ext
的第i个分量，即机械臂第i个关节所受力矩。4.根据权利要求3所述的一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，其特征在于：所述步骤二中的机械臂平滑切换函数，如下式：其中，κ为切换函数；其中，当τ
ext
的任一分量大于对应预设关节阈值，阈函数β(τ
ext
)的值大于零，切换函数ω＝0；当τ
ext
的所有分量都小于对应的预设关节阈值，阈函数β(τ
ext
)的值小于零，切换函数ω＝1，因此ω在0和1之间的机械臂切换是平滑的。
5.根据权利要求4所述的一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，其特征在于：所述步骤三中的根据步骤二设计的平滑切换函数获取机械臂关节控制力矩，包括以下步骤：步骤三一、根据步骤二获得的平滑切换函数获取机械臂参考速度向量；步骤三二、利用步骤三一获得的机械臂参考速度向量和机械臂关节速度获取机械臂滑动向量；步骤三三、利用步骤三一获得的机械臂参考速度向量和步骤三二获得的机械臂滑动向量获取机械臂关节控制力矩。6.根据权利要求5所述的一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，其特征在于：所述步骤三一中的根据步骤二获得的平滑切换函数获取机械臂参考速度向量，如下：其中，q
d
为机械臂期望跟踪位置，e
q
＝q
‑
q
d
为机械臂位置误差，λ
q
为位置误差系数，为大于0的常数，是为机械臂期望跟踪速度。7.根据权利要求6所述的一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伊威，崔士鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：