一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法技术

本发明专利技术涉及一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，依据矩阵摄动理论，提出的空间机械臂关节力矩补偿，实现满足补偿力矩方程以及含雅克比矩阵的动力学方程，由此实现广义的冗余度空间机械臂故障关节力矩的再分配。同时，本发明专利技术方法综合最小范数法和最小力矩法优点，提出以关节力矩最小化为优化目标得出的关节加速度逆解方法，解决最小关节力矩法计算造成的关节数值的不稳定和关节奇异问题。成的关节数值的不稳定和关节奇异问题。成的关节数值的不稳定和关节奇异问题。

【技术实现步骤摘要】
一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法


[0001]本专利技术涉及一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，属于机器人
,用于机械臂在线重构情况下的关节力矩再分配。

技术介绍

[0002]空间机械臂在轨操作过程中，由于操作任务需求或者故障等因素，需要对机械臂的关节进行自主重构操作，但空间机械臂重构发生后，会引起末端速度、关节速度、关节冲击力矩等参数突变，其中，末端和关节冲击力矩突变对空间机械臂运动稳定性带来巨大的影响，如何有效抑制运动过程中力突变对空间机械臂稳定运行具有十分重要意义。
[0003]经过对相关文献检索，一般情况下，在一个及多个关节发生故障的情况下，总是将机械臂的运动先停止，然后锁定一个关节后，按照退化自由度后的新构型重新进行运动路径规划，但该方法不适用于要求动态连续不间断完成任务的机械臂系统。为拓展机械臂在线重构后的连续执行运动能力，需提出一种力突变抑制和力矩再分配算法，对于机械臂的在轨可靠应用至关重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，解决了机械臂重构后连续动态路径规划的优化问题。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，包括：
[0007]依据机械臂动力学方程和矩阵摄动理论，进行末端操作力突变抑制；
[0008]依据关节力矩最优的容错路径规划策略，进行关节力矩优化，从而实现空间机械臂在模型重构和运行参数突变的调整，实现突变的抑制。
[0009]进一步的，所述依据机械臂动力学方程和矩阵摄动理论，进行末端操作力突变抑制，具体包括：
[0010]建立冗余度空间机械臂动力学方程；
[0011]基于所述冗余度空间机械臂动力学方程，考虑机械臂的末端受力，建立考虑末端受力的机械臂动力学方程；
[0012]确定第k个关节在运动的某时刻t被锁定时，机械臂的规划雅各比矩阵
k
J；
[0013]基于摄动模型思想，确定故障后的关节速度与末端速度变化关系；
[0014]确定故障后的退化机械臂的末端力变化关系；
[0015]确定关节力矩补偿量，使得故障后的空间机械臂末端力跳变最小，从而实现末端操作力突变抑制。
[0016]进一步的，所述冗余度空间机械臂动力学方程，具体为：
[0017]通过拉格朗日法建立冗余度空间机械臂动力学方程为：
[0018][0019]式中，M(q)是系统的质量矩阵；是离心和科氏项；G(q)是重力项；τ
d
是提供关节运动所需要的关节力矩，其中，q、分别是关节角位置、角速度及角加速度向量。
[0020]进一步的，所述考虑末端受力的机械臂动力学方程，具体为：
[0021][0022]其中，J
T
为雅克比矩阵的转置、F为末端受力。
[0023]进一步的，机械臂的规划雅各比矩阵
k
J，具体为：
[0024]k
J＝[j1,...,j
k
‑1,j
k+1
,...,j
n
][0025]其中，
k
J为k关节故障后的雅各比矩阵。
[0026]进一步的，所述确定故障后的关节速度与末端速度变化关系，具体为：
[0027][0028]式中，是故障后空间机械臂关节速度的变化，ΔJ是机械臂关节失效故障后摄动雅克比矩阵；为末端速度向量，是在未进行速度补偿前的退化空间机械臂末端速度跳变；J是故障前雅可比矩阵。
[0029]进一步的，所述确定故障后的退化机械臂的末端力变化关系，具体为：
[0030]F+ΔF＝((J
T
)
+
+Δ(J
T
)
+
)(τ+Δτ)
[0031]式中，τ是关节输出力矩，Δτ是出现关节失效锁定关节故障后的空间机械臂力矩变化，J
T
是雅克比矩阵转置，Δ(J
T
)
+
是摄动雅克比矩阵，而ΔF是未进行关节力矩补偿的空间机械臂末端力突变。
[0032]进一步的，所述确定关节力矩补偿量，具体为：
[0033]用ΔU作为关节力矩的补偿量，有：
[0034][0035]式中，是引入力矩补偿后的机械臂末端力跳变；当空间机械臂的第k关节出现关节故障锁死时有：
[0036][0037]其中，
k
(J
T
)
+
是第k关节出现关节故障后雅克比矩阵的伪逆。
[0038]化简上式可得到，冗余度空间机械臂末端力跳变最小的力矩补偿为：
[0039]ΔU＝{Δ(J
T
)
+
τ}{
k
(J
T
)
+
}
+
[0040]进一步的，所述依据关节力矩最优的容错路径规划策略，进行关节力矩优化，包括：
[0041](1)在考虑权重矩阵W的情况下，以Z＝τ
T
Wτ最小化为优化目标，确定关节加速度逆解；
[0042](2)取权重矩阵W＝D
‑1，并忽略重力项G，重新确定关节加速度逆解；
[0043](3)在计算过程中控制的数值，确定改进的关节加速度逆解。
[0044]进一步的，
[0045]在考虑权重矩阵W的情况下，以Z＝τ
T
Wτ最小化为优化目标得出的关节加速度逆解为：
[0046][0047]式中，A＝DWD∈R
n
×
n
，I∈R
n
×
n
为单位矩阵，为末端加速度、H为机械臂质量矩阵、G为重力向量、为雅克比矩阵的一阶导数；
[0048]取权重矩阵W＝D
‑1，并忽略重力项G，则关节加速度逆解为：
[0049][0050]式中，
[0051]在计算过程中控制的数值，得出的关节加速度逆解的改进计算方法如下：
[0052][0053]式中，β为预先设定的上限值，当时，采用最小关节力矩法计算，当时，则采用最小范数法计算，J
+
是雅克比矩阵的伪逆。
[0054]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0055](1)本专利技术实现了机械臂控制模型重构、末端及关节力突变扰动抑制和力矩最优的容错路径规划设计,对于在有限的机械臂运动空间内快速模型重构、可重构路径规划优化算法具有重要意义。
[0056](2)本专利技术机械臂的模型重构主要包括数学模型的重构，包括运动学模型和动力学模型；在线调整即包含控制模型的调整，也包含对运行参数的调整。针对运动参数的调整，主要包含模型重构导致的运行参数突变的调整，通过引入补偿项，实现突变的抑制，使得机械臂在模型重构和调整过程中具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，其特征在于包括：依据机械臂动力学方程和矩阵摄动理论，进行末端操作力突变抑制；依据关节力矩最优的容错路径规划策略，进行关节力矩优化，从而实现空间机械臂在模型重构和运行参数突变的调整，实现突变的抑制。2.根据权利要求1所述的一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，其特征在于：所述依据机械臂动力学方程和矩阵摄动理论，进行末端操作力突变抑制，具体包括：建立冗余度空间机械臂动力学方程；基于所述冗余度空间机械臂动力学方程，考虑机械臂的末端受力，建立考虑末端受力的机械臂动力学方程；确定第k个关节在运动的某时刻t被锁定时，机械臂的规划雅各比矩阵
k
J；基于摄动模型思想，确定故障后的关节速度与末端速度变化关系；确定故障后的退化机械臂的末端力变化关系；确定关节力矩补偿量，使得故障后的空间机械臂末端力跳变最小，从而实现末端操作力突变抑制。3.根据权利要求2所述的一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，其特征在于：所述冗余度空间机械臂动力学方程，具体为：通过拉格朗日法建立冗余度空间机械臂动力学方程为：式中，M(q)是系统的质量矩阵；是离心和科氏项；G(q)是重力项；τ
d
是提供关节运动所需要的关节力矩，其中，q、分别是关节角位置、角速度及角加速度向量。4.根据权利要求3所述的一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，其特征在于：所述考虑末端受力的机械臂动力学方程，具体为：其中，J
T
为雅克比矩阵的转置、F为末端受力。5.根据权利要求4所述的一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，其特征在于：机械臂的规划雅各比矩阵
k
J，具体为：
k
J＝[j1,...,j
k
‑1,j
k+1
,...,j
n
]其中，
k
J为k关节故障后的雅各比矩阵。6.根据权利要求5所述的一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，其特征在于：所述确定故障后的关节速度与末端速度变化关系，具体为：式中，是故障后空间机械臂关节速度的变化，ΔJ是机械臂关节失效故障后摄动雅克比矩阵；为末端速度向量，是在未进行速度补偿前的退化空间机械臂末端速度跳变；J是故障前雅可比矩阵。7.根据权利要求6所述的一种可重构机械臂操作力突变抑制控制方法，其特征在于：所述确定故障后的退化机械臂的末端力变化关系，具体为：F+ΔF＝((J
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓东，潘冬，梁常春，李剑飞，王友渔，赵志军，刘鑫，周轶丁，熊明华，许哲，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：