本发明专利技术适用于机器人技术领域，涉及一种考虑多任务优先级的冗余液压机械臂实时流量优化方法。方法包括：根据冗余液压机械臂速度特性，设定系统流量约束、关节角度、速度、加速度约束，生成关节约束不等式，并输入多面体顶点求解器得到关节速度多面体顶点，得到任务速度多面体顶点；采集操作者的指令速度，将指令速度和任务速度多面体顶点输入最优任务速度求解器，得到最优任务速度；将最优任务速度映射成关节空间的最小范数解，并输入流量最优解求解器，得到流量最优的关节速度。本发明专利技术为冗余液压机械臂规划出满足所有约束、最小化速度误差且流量最优的关节速度指令，进而提高液压机械臂的跟踪精度和作业效率，并降低系统能耗。并降低系统能耗。并降低系统能耗。
【技术实现步骤摘要】
一种考虑多任务优先级的冗余液压机械臂实时流量优化方法
[0001]本专利技术属于机器人
，具体涉及一种考虑多任务优先级的冗余液压机械臂实时流量优化方法，可在多重约束下的按优先级执行任务，并利用冗余自由度来减小系统流量消耗，提升液压机械臂的作业效率并降低能耗。
技术介绍
[0002]冗余液压机械臂因其高功率重量比、强抗冲击性能以及冗余自由度带来的灵巧性，目前已被应用于建筑、采矿和林业等诸多领域。由于液压臂的执行器通常由单泵供油，泵的输出流量决定着系统能耗，也限制着液压臂的运动速度，最小化液压臂在运动过程中的流量可以降低系统能耗并提高作业效率。
[0003]除了优化流量，液压机械臂还需要满足关节角度、速度、加速度以及系统流量等硬约束、最小化末端速度的方向误差和大小误差。这些任务可根据重要性划分为不同的优先级，从高到底依次为：满足硬约束、最小化末端速度的方向误差、最小化速度大小误差以及最小化流量。由于液压臂的执行器多为活塞缸，活塞有效面积随关节速度方向不同，其流量函数在关节速度换向处不可微，且无法写为标准的二次形式，故梯度投影和二次规划等算法难以解决液压臂的流量优化问题。现有的动态规划等算法由于计算耗时，无法用于实时的运动规划。因此设计一种考虑多任务优先级的冗余液压机械臂实时流量优化方法，在操作过程中按照设定优先级执行任务并实时优化流量，对于提高液压机械臂作业精度和效率、降低系统能耗具有十分重要的意义。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供了一种考虑多任务优先级的冗余液压机械臂实时流量优化方法，根据冗余液压机械臂速度特性，设定系统流量约束、关节角度、速度、加速度约束，并生成关节速度约束不等式；将关节约束不等式输入多面体顶点求解器得到关节约束速度多面体顶点；将关节约束速度多面体顶点通过雅可比矩阵映射到任务空间，得到任务约束速度多面体顶点；采集操作者的指令任务速度，将指令任务速度和任务约束速度多面体顶点输入最优任务速度求解器，得到最优任务速度；将最优任务速度映射成关节空间的最小范数解，并将最小范数解和关节速度约束不等式输入流量最优解求解器，得到流量最优的关节速度。本专利技术为底层的运动控制器规划出满足所有约束、最小化速度方向和大小误差且流量最优的关节速度指令，提高机械臂的跟踪精度和作业效率、降低系统能耗。
[0005]1、一种考虑多任务优先级的冗余液压机械臂实时流量优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0006]1)根据冗余液压机械臂速度特性，设定系统流量约束、关节角度、速度、加速度约束，并生成关节速度约束不等式
[0007]2)将关节速度约束不等式输入多面体顶点求解器，得到关节约束速度多面体顶点矩阵B
q
；
[0008]3)将关节约束速度多面体顶点矩阵B
q
通过雅可比矩阵J映射到任务空间，得到任务约束速度多面体顶点矩阵B
v
；
[0009]4)采集输入液压机械臂的指令任务速度将指令任务速度和任务约束速度多面体顶点矩阵B
v
输入最优任务速度求解器，得到最优任务速度
[0010]5)将最优任务速度映射成关节空间的最小范数解并将最小范数解和关节速度约束不等式输入流量最优解求解器，得到流量最优关节速度
[0011]所述步骤1)具体为：
[0012]1.1)首先将关节角度、速度和加速度约束表征为关节空间约束盒，具体为：
[0013]根据冗余液压机械臂第i个关节的角度、速度和加速度约束可表示为：
[0014][0015][0016][0017]式(1)
‑
(3)中，分别为关节i的角度、速度和加速度的下边界，分别为关节i的角度、速度和加速度的上边界。
[0018]将关节角度约束(1)和加速度约束(3)分别转换成速度约束得：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]式中，和分别表示关节角度约束转换为速度约束后的上下边界，和分别表示关节加速度约束转换为速度约束后的上下边界，和分别表示在连续系统中关节角度约束转换为速度约束后的上下边界，为上一个采样时刻的关节速度。将所有关节角度、速度和加速度约束表征为关节空间约束盒，记为：
[0028][0029]式中，I
n
为n
×
n的单位矩阵，
[0030][0031][0032][0033][0034]1.2)将系统流量约束表征为关节空间流量约束超平面，具体为：
[0035][0036][0037]式中，1
n
为所有元素都为1的n维列向量，Q
max
代表系统最大流量，
[0038][0039]A
ai
和A
bi
分别代表第i个关节的驱动液压缸中的无杆腔面积和有杆腔面积，代表第i个关节的运动学微分关系。
[0040]1.3)流量约束超平面和约束盒的交集构成了关节约束速度多面体，对应的关节速度不等式记为：
[0041][0042]所述的步骤2)具体为：
[0043]2.1)步骤1.1)所述约束盒的2
n
个顶点通过排列的方式表示为矩阵形式：
[0044][0045]2.2)通过式(22)快速判断约束盒的2
n
个顶点中超出对应卦限的流量约束超平面的顶点
[0046][0047]式中，A
i
(q)为A(q)的第i行，D
i
＞0代表第i个顶点超出了第i个流量约束超平面约束；
[0048]2.3)若没有D
i
＞0的顶点，则B即为全部顶点；若D
i
＞0，则以第i个顶点作为父节点，通过约束盒的邻接关系形成邻接表，从父节点i开始深度遍历搜索的顶点矩阵B
in
；
[0049]2.4)顶点矩阵B
in
中的顶点j及其上层邻接顶点构成线段L
j
，通过求解L
j
和第i个流量约束超平面的交点可以得到新的顶点，更新顶点矩阵B和对应的邻接表；
[0050]2.5)对于新顶点矩阵B中所有超出了流量约束超平面的顶点，重复步骤2.2)至2.4)，得到关节约束速度多面体顶点矩阵B
q
。
[0051]所述步骤3)具体为：
[0052]3.1)通过式(23)，得到关节约束速度多面体顶点矩阵B
q
对应的任务空间顶点矩阵B
t
；
[0053]B
t
＝JB
q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0054]式中：J为任务雅克比矩阵。
[0055]3.2)对B
t
使用Graham扫描法，得到任务约束速度多面体顶点矩阵B
v
。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种考虑多任务优先级的冗余液压机械臂实时流量优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)根据冗余液压机械臂速度特性，设定系统流量约束、关节角度、速度、加速度约束，并生成关节速度约束不等式2)将关节速度约束不等式输入多面体顶点求解器，得到关节约束速度多面体顶点矩阵B
q
；3)将关节约束速度多面体顶点矩阵B
q
通过雅可比矩阵J映射到任务空间，得到任务约束速度多面体顶点矩阵B
v
；4)采集输入液压机械臂的指令任务速度将指令任务速度和任务约束速度多面体顶点矩阵B
v
输入最优任务速度求解器，得到最优任务速度5)将最优任务速度映射成关节空间的最小范数解并将最小范数解和关节速度约束不等式输入流量最优解求解器，得到流量最优关节速度2.根据权利要求1所述的步骤1)，其特征在于：1.1)首先将关节角度、速度和加速度约束表征为关节空间约束盒，记为：式中，I
n
为n
×
n的单位矩阵，分别表示与关节角度、速度和加速度约束对应的等效速度约束上边界和下边界。1.2)将系统流量约束表征为关节空间流量约束超平面，记为：式中，A(q)为流量计算矩阵，1
n
为所有元素都为1的n维列向量，Q
max
代表系统最大流量。1.3)流量约束超平面和约束盒的交集构成关节约束速度多面体，对应的关节速度不等式记为：3.根据权利要求1所述的步骤2)具体为：2.1)将步骤1.1)所述约束盒的2
n
个顶点通过排列的方式表示为矩阵形式：2.2)通过式(5)判断约束盒的2
n
个顶点中超出对应卦限的流量约束超平面的顶点
式中，A
i
(q)为A(q)的第i行，D
i
＞0代表第i个顶点超出了第i个流量约束超平面约束；2.3)若没有D
i
＞0的顶点，则B即为全部顶点；若D
i
＞0，则以第i个顶点作为父节点，通过约束盒的邻接关系形成邻接表，从父节点i开始深度遍历搜索的顶点矩阵B
in
；2.4顶点矩阵B
in
中的顶点j及其上层邻接顶点构成线段L
j
，通过求解L
j
和第i个流量约束超平面的交点可以得到新的顶点，更新顶点矩阵B和对应的邻接表；2.5)对于新顶点矩阵B中所有超出了流量约束超平面的顶点，重复步骤2.2)至2.4)，得到关节约束速度多面体顶点矩阵B
q
。4.根据权利要求1所述的步骤3)，具体为：3.1)通过式(6)，得到关节约束速度多面体顶点矩阵B
q
对应的任务空间顶点矩阵B
t
；B
t
＝JB
q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
...
【专利技术属性】
技术研发人员：程敏，李林安，丁孺琦，张鑫，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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