一种基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法，通过机械臂末端力和力矩得到由机械臂末端指向夹取物的虚拟连杆向量估计值；根据所述机械臂末端力和力矩和夹取物的运动状态得到机械臂末端内力偏差；设计变刚度阻抗方程，其中机械臂的刚度自适应变化；根据夹取物的期望轨迹、所述虚拟连杆向量估计值、所述机械臂末端内力偏差和所述变刚度阻抗方程得到机械臂参考轨迹，将所述参考轨迹作为位置控制的输入以实现双机械臂的协同柔顺控制；使用本发明专利技术能够提升机械臂的控制精度，以及与环境接触的柔顺性。以及与环境接触的柔顺性。以及与环境接触的柔顺性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，具体涉及一种基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法。

技术介绍

[0002]双臂协作机器人在救援、医疗、学习、娱乐、侦察等领域比单臂机器人具有显著优势。与单臂机器人系统相比，双臂协作机器人操作能力更强、工作空间更广、系统结构和组织模式更灵活，因此双臂机器人常用于执行广泛的任务，例如协作装配、焊接和携带大型物体等。但是双臂机器人在双臂协同工作过程中，由于受外界干扰、末端位置估计偏差等原因，双臂运动偶尔会出现不协调，影响物体位置控制精度等问题。
[0003]在双臂协同控制这一问题上，已有研究提出了主从控制法、混合力/位控制法、阻抗/导纳控制法等方法。
[0004]主从控制法定义一个机械臂作为主臂，采用纯位置控制，另一个臂作为从臂，采用力控跟踪主臂的运动轨迹；该方法需要从臂的力控跟踪具有快速的响应速度，容易导致系统的不稳定。
[0005]混合力/位控制是将任务空间分为位置控制子空间和力控制子空间，两个子空间独立控制，双臂均采用位置/力控制；但是，该方法需要根据实际操作任务选择位置和力控制方向，并且在位置控制和力控制之间进行实时切换，会增加控制器计算量。
[0006]阻抗控制建立了机械臂末端速度(位置误差)与末端力之间的动态关系，在位置控制环的基础上，加上力的控制环来实现，末端力的偏差通过阻抗控制转换为位置的修正量，并作为位置环的输入；该方法能够实现双臂的协调运动，但是在存在外界干扰或运动学参数不确定等情况下，也存在位置控制精度低、不能实现柔顺控制等问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法，能够提升机械臂的控制精度，以及与环境接触的柔顺性。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：
[0009]一种基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法，通过机械臂末端力和力矩h
i
得到由机械臂末端指向夹取物的虚拟连杆向量估计值根据所述机械臂末端力和力矩h
i
和夹取物的运动状态得到机械臂末端内力偏差Δh
i
；设计变刚度阻抗方程，其中机械臂的刚度自适应变化；根据夹取物的期望轨迹χ
od
、所述虚拟连杆向量估计值所述机械臂末端内力偏差Δh
i
和所述变刚度阻抗方程得到机械臂参考轨迹，将所述参考轨迹作为位置控制的输入以实现双机械臂的协同柔顺控制。
[0010]较佳地，所述变刚度阻抗方程，为：
[0011][0012]其中，M、B和K分别表示机械臂的惯性、阻尼和刚度矩阵；ΔK为随时间变化的刚度矩阵K的变化量，用于补偿由所述虚拟连杆向量估计值带来的估计偏差；Δχ
i
表示第i个机械臂末端期望位置与实际位置间的机械臂末端位置偏差；和为机械臂末端位置偏差Δχ
i
关于时间的二阶导和一阶导；为机械臂末端位置的计算偏差值；ΔK以根据实际情形自适应速率变化，为：
[0013][0014]其中，∈为一个满足的中间向量；Γ为一个对称正定矩阵；表示所述机械臂末端位置偏差Δχ
i
的预先估计值；表示机械臂末端位置偏差的预先估计值关于时间的一阶导。
[0015]较佳地，所述计算偏差值为：
[0016][0017]其中，表示由夹取物到机械臂末端的映射向量的估计值；表示由夹取物到机械臂末端的映射向量的理论期望值；r
i
为所述虚拟连杆向量估计值的理论期望值；表示由机械臂末端辅助坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；03为零向量。
[0018]较佳地，所述得到机械臂参考轨迹，为：
[0019]对于所述变刚度阻抗方程，以所述机械臂末端内力偏差Δh
i
为输入，所述机械臂末端位置偏差Δχ
i
为输出；
[0020]根据所述虚拟连杆向量估计值和预先给定的所述夹取物的期望轨迹χ
od
得到机械臂末端位置估计值
[0021]根据所述机械臂末端位置偏差Δχ
i
和所述机械臂末端位置估计值得到两机械臂的末端位置修正量；
[0022]根据所述两机械臂的末端位置修正量，对所述夹取物的期望轨迹χ
od
进行修正，得到所述参考轨迹。
[0023]较佳地，所述得到机械臂的末端位置估计值为：
[0024]将世界坐标系下的所述夹取物的期望轨迹χ
od
通过坐标变换转为机械臂末端辅助坐标系下的所述机械臂末端位置估计值为：
[0025][0026]其中，表示由夹取物到机械臂末端的映射向量的估计值；表示由机械臂末端辅助坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；03为零向量。
[0027]较佳地，所述得到由机械臂末端指向夹取物的虚拟连杆向量的估计值为：
[0028]通过传感器测量得到所述机械臂末端力和力矩h
i
；由所述机械臂末端力和力矩h
i
得到机械臂末端在平衡条件下的力f
i
和机械臂末端在平衡条件下的力矩μ
i
；
[0029][0030]其中，02为2
×
1的零向量；i为1或2，表示第i个机械臂。
[0031]较佳地，所述得到机械臂末端内力偏差Δh
i
，包括：
[0032]步骤1，通过传感器测量得到所述机械臂末端力和力矩h
i
，通过雅可比矩阵将所述机械臂末端力和力矩h
i
转换为夹取物质心处的实际力和力矩h
or
；
[0033]步骤2，根据预先已知的所述夹取物的运动状态，得到夹取物质心处的期望力和力矩h
od
；
[0034]步骤3，根据所述夹取物质心处的实际力和力矩h
or
和所述夹取物质心处的期望力和力矩h
od
得到夹取物质心处内力Δh
o
＝h
od
‑
h
or
；
[0035]步骤4，根据所述夹取物质心处内力Δh
o
，通过雅可比矩阵得到所述机械臂末端内力偏差Δh
i
。
[0036]有益效果：
[0037]1、本专利技术通过机械臂刚度参数能够自适应变化的变刚度阻抗方程，将夹取物的期望轨迹χ
od
修正为机械臂参考轨迹，并进一步根据此机械臂参考轨迹对双机械臂进行位置控制，减弱的估计偏差影响，提升机械臂的控制精度，以及与环境接触的柔顺性。
[0038]2、本专利技术通过变刚度阻抗方程的设计，以及变刚度阻抗方程中ΔK的具体设计，在阻抗控制的基础上，根据机械臂末端的位置偏差Δχ
i
，实时调整阻抗方程的刚度，以对末端位置偏差进行实时补偿；并根据机械臂与物体间的内力偏差Δh...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法，其特征在于，通过机械臂末端力和力矩h
i
得到由机械臂末端指向夹取物的虚拟连杆向量估计值根据所述机械臂末端力和力矩h
i
和夹取物的运动状态得到机械臂末端内力偏差Δh
i
；设计变刚度阻抗方程，其中机械臂的刚度自适应变化；根据夹取物的期望轨迹χ
od
、所述虚拟连杆向量估计值所述机械臂末端内力偏差Δh
i
和所述变刚度阻抗方程得到机械臂参考轨迹，将所述参考轨迹作为位置控制的输入以实现双机械臂的协同柔顺控制。2.如权利要求1所述的基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法，其特征在于，所述变刚度阻抗方程，为：其中，M、B和K分别表示机械臂的惯性、阻尼和刚度矩阵；ΔK为随时间变化的刚度矩阵K的变化量，用于补偿由所述虚拟连杆向量估计值带来的估计偏差；Δχ
i
表示第i个机械臂末端期望位置与实际位置间的机械臂末端位置偏差；和为机械臂末端位置偏差Δχ
i
关于时间的二阶导和一阶导；为机械臂末端位置的计算偏差值；ΔK以根据实际情形自适应速率变化，为：其中，∈为一个满足的中间向量；Γ为一个对称正定矩阵；表示所述机械臂末端位置偏差Δχ
i
的预先估计值；表示机械臂末端位置偏差的预先估计值关于时间的一阶导。3.如权利要求2所述的基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法，其特征在于，所述计算偏差值为：其中，表示由夹取物到机械臂末端的映射向量的估计值；表示由夹取物到机械臂末端的映射向量的理论期望值；r
i
为所述虚拟连杆向量估计值的理论期望值；表示由机械臂末端辅助坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；03为零向量。4.如权利要求2所述的基于变阻抗策略的双机械臂末端位置协同控制方法，其特征在于，所述得到机械臂参考轨迹，为：对于所述变刚度阻抗方程，以所述机械臂末端内力偏差Δh
i
为输入，所述机械臂末端位置偏差Δχ
i
为输出；根据所述虚拟连杆向量估计值和预先给定的所述夹取物的期望轨迹χ
od
得到机械臂末端位置估计值根据所述机械臂末端位置偏差Δχ
i
和所述机...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈程远，赵江波，王军政，汪首坤，马立玲，沈伟，李静，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：