一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法，基于建立的机器人的运动学模型

【技术实现步骤摘要】
一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法


[0001]本专利技术属于机器人控制
，具体涉及一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法
。

技术介绍

[0002]机器人作为一种重要的工业自动化设备在各个领域得到了广泛的应用
。
机器人的灵活性和多功能性使其成为自动化生产中不可或缺的一部分
。
然而，随着机器人在工作场景中的应用越来越广泛，对其控制和精确性的要求也越来越高，单一的位置控制往往已经不能满足生产中的各种需求
。
以装配任务为例，位置控制机器人无法感知零件的受力状态，容易导致精密零件装配不到位甚至造成零件损坏
。
[0003]目前阻抗控制与力位混合控制等经典方法是实现力控制的有效途径，阻抗控制更擅长处理硬环境中的力控问题，混合力位控制则在软环境中表现更好，但二者均容易出现显著超调与震荡，难以满足精确控制的需求
。
对此类传统方法通过调整环境模型可以取得更加平缓的控制过程，但难以实现约束控制，无法单纯依靠阻抗控制或力位混合控制保证系统安全运行
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法，通过修改期望速度的方式与现有控制方法进行结合实现了对机器人接触力的安全约束控制，改善了现有机器人控制方法中接触力约束实现困难的问题
。
[0005]本专利技术提供的一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法，包括以下步骤：/>[0006]步骤
1、
建立受控机器人的机器人动力学模型；确定基于机器人关节角速度的力位控制方式，设计对应的受控机器人控制器；
[0007]步骤
2、
建立受控机器人交互过程的接触力模型，并结合受控机器人的机器人动力学模型，建立受控机器人的仿射非线性系统模型；
[0008]步骤
3、
根据仿射非线性系统模型与受控机器人的任务需求设计关于接触力的控制障碍函数，并依据控制障碍函数设计安全控制器，安全控制器的输入为所述受控机器人控制器的输出及受控机器人的当前关节角度和当前接触力，所述安全控制器求解受控机器人在满足接触力约束时的安全关节角速度，再根据安全关节角速度积分得到安全关节角度；
[0009]步骤
4、
使用步骤3得到的安全关节角速度及安全关节角度替换所述受控机器人控制器的期望角速度与期望角度作为受控机器人的最终控制量，实现机器人与环境交互系统的接触力安全约束控制
。
[0010]进一步地，所述步骤1中建立受控机器人的机器人动力学模型的方式为：
[0011]引入带重力补偿的
PD
控制器：
[0012][0013]其中，
τ
J
∈R
n
表示
n
个关节的控制力矩，
K
p
,K
D
为
PD
控制器的参数，分别表示受控机器人
n
个关节的关节角速度与关节角加速度，表示机器人
n
个关节的期望关节角速度与期望关节角加速度；
[0014]由此建立机器人动力学模型为：
[0015][0016]其中，
F
ext
分别表示受控机器人末端执行器受到的外力，
J(q)
为受控机器人的雅克比矩阵
。
[0017]进一步地，所述受控机器人控制器的力位跟踪控制方式为阻抗控制
、
导纳控制或模型预测控制
。
[0018]进一步地，所述步骤2中所述接触力模型为：
[0019][0020][0021]其中，表示受控机器人的刚度特性，
p,p
d
分别表示受控机器人末端执行器的位置与期望位置
。
[0022]进一步地，所述步骤2中所述仿射非线性系统模型为：
[0023][0024]其中，
x:
＝
[q
T q
dT F
extT
]T
为系统状态量，为控制量
。
[0025]进一步地，所述步骤3中所述安全控制器求解受控机器人在满足接触力约束时的安全关节角速度的方式为：将控制障碍函数转换成二次规划问题进行求解，二次规划问题为：
[0026][0027][0028][0029]其中，表示安全关节角速度，表示
h(x)
的导数，
α
(h(x))
表示利普希茨连续的单调递增函数，且
α
(0)
＝0，表示受控机器人允许的关节角速度范围
。
[0030]有益效果：
[0031]本专利技术基于建立的机器人的运动学模型
、
动力学模型与接触力模型构建包含接触力的仿射非线性系统模型，相比于考虑单一的接触力模型具有更好的动态性能，通过将控制障碍函数应用于机器人接触力安全约束控制，与现有的位置安全约束控制方法相比拓宽了控制障碍函数在机器人领域的应用，同时还可与多种现有的力位控制方法相结合，具有良好的接触力约束效果，灵活性高，实时性好，鲁棒性强，应用简便，有效改善了传统力位控制对接触力约束困难的问题
。
附图说明
[0032]图1为本专利技术提供的一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法的实施例使用的
UR3
机器人
。
[0033]图2为本专利技术提供的一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法的实施例中末端执行器静止时仿真结果图
。
[0034]图3为本专利技术提供的一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法的实施例中末端执行器运动时仿真结果图
。
具体实施方式
[0035]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述
。
[0036]控制障碍函数作为一种安全控制方法逐渐引起人们的关注，相比于模型预测控制或参考调速器等约束控制方法，其通常具有更好的实时性
。
控制障碍函数是障碍函数在安全控制设计的一种应用，通过安全状态集，不安全状态集等概念将安全控制问题转化为更加容易处理的凸优化问题
。
本专利技术提供一种基于控制障碍函数的机器人接触力安全约束控制方法，其核心思想在于建立机器人与环境交互时接触力的仿射非线性系统模型，并借助控制障碍函数理论设计关于接触力的控制障碍函数，得到满足约束控制需求的机器人关节安全速度，实现机器人接触力的安全约束控制
。
[0037]本专利技术提供的一种基于机器人模型与控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法，主要包括以下步骤：
[0038]步骤
1、
建立受控机器人的机器人动力学模型
。
[0039]本专利技术引入带重力补偿的
PD
控制器：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于控制障碍函数的机器人接触力约束控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
1、
建立受控机器人的机器人动力学模型；确定基于机器人关节角速度的力位控制方式，设计对应的受控机器人控制器；步骤
2、
建立受控机器人交互过程的接触力模型，并结合受控机器人的机器人动力学模型，建立受控机器人的仿射非线性系统模型；步骤
3、
根据仿射非线性系统模型与受控机器人的任务需求设计关于接触力的控制障碍函数，并依据控制障碍函数设计安全控制器，安全控制器的输入为所述受控机器人控制器的输出及受控机器人的当前关节角度和当前接触力，所述安全控制器求解受控机器人在满足接触力约束时的安全关节角速度，再根据安全关节角速度积分得到安全关节角度；步骤
4、
使用步骤3得到的安全关节角速度及安全关节角度替换所述受控机器人控制器的期望角速度与期望角度作为受控机器人的最终控制量，实现机器人与环境交互系统的接触力安全约束控制
。2.
根据权利要求1所述的机器人接触力约束控制方法，其特征在于，所述步骤1中建立受控机器人的机器人动力学模型的方式为：引入带重力补偿的
PD
控制器：其中，
τ
J
∈R
n
表示
n
个关节的控制力矩，
K
p
,K
D
为
PD
控制器的参数，分别表示受控机器人
n
个关节的关节角速度与关节角加速度，表示机器人
n
个关节的期望关节角速度与期望关节角加速度；由此建立机器人动力学模型为：其中，
F...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟弟华，刘浩男，林俊丞，熊雨涵，张思华，王永康，夏元清，詹玉峰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：