一种兼具运动精度与稳定性的六自由度混合导纳控制方法技术

一种兼具运动精度与稳定性的六自由度混合导纳控制方法，包括：测量机器人与环境的接触力，对力进行零点矫正

【技术实现步骤摘要】
一种兼具运动精度与稳定性的六自由度混合导纳控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人人机交互柔顺控制与实时跟踪
，尤其涉及一种兼具运动精度与柔顺控制稳定性的六自由度混合导纳控制方法
。

技术介绍

[0002]当今社会，人与机器人的协同交互已成为重要研究内容
。
在与人协同交互的过程中，若机器人只具备位置运动能力，而无相关接触力信息，则无法保障交互中操作人员的安全性，因此将力信息融入机器人控制系统即实现机器人柔顺控制成为重要的研究方向
。
[0003]柔顺控制分为被动柔顺控制与主动柔顺控制
。
被动柔顺控制指通过改变机构的弹性
(
如在末端加入弹簧等
)
方式实现柔顺；而主动柔顺指通过控制策略实现机器人对力的主动响应
。
被动柔顺方式难以实现精确控制，适用性不高
。
关于主动柔顺控制的研究，主要包括导纳控制
、
阻抗控制和力位混合控制
。
由于当前大多工业机器人不具备力矩控制方式，仅允许位置控制，而导纳控制最终通过位置内环进行控制，因此导纳控制应用更广
。
[0004]实际应用中，当进行遥操作或轨迹跟踪等相关操作时，既需要保证无外界接触力时轨迹跟踪的实时性和精确性，又需要实现有接触力时的主动避让柔顺特性
。
导纳控制中，需将当前位置与规划位置的偏差代入导纳控制微分方程中以求解下一周期的目标位置
。
由于协作机器人无法在单个控制周期内到达目标位置，导致控制策略中对于当前机器人位置的不同估计将产生不同的控制效果
。

技术实现思路

[0005]本专利技术首先进行了六自由度导纳控制理论推导，并在此基础上充分对比了开环控制和闭环控制两种方式对实际机器人导纳控制的影响，并提出了一种兼具无接触力时实时跟随性与有接触力时控制稳定性的混合导纳控制方法
。
无接触力时采用开环控制，即将理论位姿代入控制系统以实现迅速收敛从而达到轨迹跟踪的实时性和准确性；有接触力时采用闭环控制，即以实际测量机器人位姿输入控制系统以实现力接触的稳定性
。
[0006]本专利技术的有益技术效果包括：
[0007]1.
可实现位置及姿态的六自由度导纳控制；
[0008]2.
混合导纳控制可实现无外力时的实时跟随及有外力时的接触稳定；
[0009]3.
提出的混合导纳控制在有无外力时切换稳定流畅
。
附图说明
[0010]图1是本专利技术实施例中的导纳控制系统示意图；
[0011]图2是本专利技术实施例的六自由度导纳控制系统的模型，即质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型示意图；
[0012]图3是本专利技术实施例的六自由度导纳控制系统中规划位姿及实际位姿示意图；
[0013]图4是六自由度开环导纳控制流程图；
[0014]图5是开环控制时接触力与导纳偏差
r
e
,p
e
结果图；
[0015]图6是六自由度闭环导纳控制流程图；
[0016]图7是闭环控制时接触力与导纳偏差
r
e
,p
e
结果图；
[0017]图8是兼具运动精度与柔顺控制稳定性的六自由度混合导纳控制流程图；
[0018]图9是本专利技术实施例采用的混合导纳控制接触力与导纳偏差
r
e
,p
e
结果图
。
具体实施方式
[0019]为使本专利技术的目的
、
技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明
。
但本领域技术人员知晓，本专利技术并不局限于附图和以下实施例
。
[0020]在专利技术的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“远”、“近”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位
、
以特定方位构造和操作，不能理解为限制本专利技术的具体保护范围
。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用以区别技术特征，不具有实质含义，不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量
。
[0021]本专利技术实施例提出的一种六自由度混合导纳控制方法包括四个方面的内容：
(1)
六自由度导纳控制系统推导
、(2)
开环六自由度导纳控制
、(3)
闭环六自由度导纳控制及
(4)
兼具运动精度与柔顺控制稳定性的六自由度混合导纳控制
。
每个方面的内容分别详述如下
。
[0022](1)
六自由度导纳控制系统推导
[0023]导纳控制系统是输入力输出位置的控制系统，如图1所示，由环境输入力，通过导纳控制运算输出与规划轨迹
X
d
的差值
X
e
，并由
X
d
‑
X
e
算得实际目标位置
X
以控制机器人运动
。
[0024]本专利技术实施例的六自由度导纳控制系统的模型为质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型，如图2所示
。
[0025]上述质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型用公式表示为：
[0026][0027]其中，
X
e
为实际位姿与规划位姿之差，分别为
X
e
的一阶和二阶时间导数
。
对于本专利技术实施例的六自由度导纳控制系统，将位置和姿态解耦讨论，如图3所示，以旋转矩阵
R
d
,R
分别代表规划姿态和实际姿态，
t
d
,t
分别代表规划位置和实际位置，其中
R,t
能够由机械臂的正运动学求得
。
由于外力的存在使得规划位姿与实际位姿存在目标差值即
r
e
,p
e
。
[0028]解耦后的六自由度导纳控制公式为：
[0029][0030][0031]其中
M
r
,B
r
,K
r
,M
p
,B
p
,K
p
为相应控制参数，
F
r
,F
p
为末端坐标系
{T}
下的外力矩及外力，分别对应于角度变化和位置变化，外力及外力矩通过机器人末端六维力传感器获得
。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种兼具运动精度与稳定性的六自由度混合导纳控制方法，其特征在于，所述方法包括：通过六维力传感器测量机器人与环境的接触力，并对力进行零点矫正
、
重力及惯性补偿后获得实际接触力
b
F
e
，通过判断
|
b
F
e
|≤10
‑3成立与否判断有无外力输入；当无外力输入，即
|
b
F
e
|≤10
‑3时，采用开环六自由度导纳控制，以上一控制周期计算值作为本周期当前状态；当人机交互存在外力输入，即
|
b
F
e
|
＞
10
‑3时，则采用闭环六自由度导纳控制，以实测关节位置和关节速度计算当前状态进行导纳控制求解
。2.
根据权利要求1所述的兼具运动精度与稳定性的六自由度混合导纳控制方法，其特征在于，所述开环六自由度导纳控制和所述闭环六自由度导纳控制都在六自由度导纳控制系统推导的基础上进行
。3.
根据权利要求2所述的兼具运动精度与稳定性的六自由度混合导纳控制方法，其特征在于，所述六自由度导纳控制系统推导包括：六自由度导纳控制系统是输入力输出位置的控制系统，由环境输入力，通过导纳控制运算输出与规划轨迹
X
d
的差值
X
e
，并由
X
d
‑
X
e
算得实际目标位置
X
以控制机器人运动；六自由度导纳控制系统的模型为质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型，质量
‑
弹簧
‑
阻尼模型用公式表示为：其中，
X
e
为实际位姿与规划位姿之差，分别为
X
e
的一阶和二阶时间导数；对于六自由度导纳控制系统，将位置和姿态解耦讨论，以旋转矩阵
R
d
,R
分别代表规划姿态和实际姿态，
t
d
,t
分别代表规划位置和实际位置，其中
R,t
能够由机械臂的正运动学求得；由于外力的存在使得规划位姿与实际位姿存在目标差值即
r
e
,p
e
；解耦后的六自由度导纳控制公式为：解耦后的六自由度导纳控制公式为：其中
M
r
,B
r
,K
r
,M
p
,B
p
,K
p
为相应控制参数，
F
r
,F
p
为末端坐标系
{T}
下的外力矩及外力，分别对应于角度变化和位置变化，外力及外力矩通过机器人末端六维力传感器获得；分别表示规划姿态与实际姿态的差值
r
e
对时间的二阶导数和一阶导数，分别表示规划位置与实际位置的差值
p
e
对时间的二阶导数和一阶导数；采用指数坐标方式定义
r
e
,p
e
，即：
e
[re]
＝
R
‑1R
d
p
e
＝
R
‑1(t
d
‑
t)
其中
r
e
,p
e
均定义在当前末端坐标系
{T}
下；
r
e
的一阶时间导数与工具坐标系下角速度
ω
b
间存在联系：其中：
且
[
·
]
表示斜对称矩阵由上式推导可得：其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君臣，卢春姮，孙振，沈宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：