【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械臂运动规划算法，具体涉及一种基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法。
技术介绍
1、目前，在高校科研室或工业工厂对双臂机器人轨迹跟踪控制是一项重要的机器人技术研究，控制方法的选择以及控制设计的稳定程度是保证其高效工作的前提，现研究较为广泛的几种机械臂轨迹控制方法有：pid控制、神经网络控制和模糊控制、鲁棒控制、自适应控制、基于模型的控制方法和滑模控制方法等。
2、滑模控制是变量结构控制的一个特殊类别，是一种不连续的非线性控制方法，响应快、抵抗外界扰动能力强以及有限时间收敛等优点，在机械臂控制方法被广泛使用。
3、但由于滑模控制不连续性的切换，系统的抖振不可避免，对控制的影响较大甚至造成系统的不稳定性，同时机械臂模型本身的一些参数和非参数的不确定性以及在任务环境的扰动因素，实现双臂机器人紧协调任务时末端轨迹高精度跟踪是一个困难的问题。双臂机器人的末端轨迹高精度跟踪是双臂机器人运动规划的重要内容，这对完成附加在机械臂上主任务具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术考虑到滑模控制的轨迹跟踪算法多应用于二连杆或无确定机械臂动力学模型情况下，基于此提出了一种基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，能够成功的应用于具有确定的机械臂动力学模型的情况，输出力矩稳定，且轨迹跟踪效果良好。仿真结果验证了所提方法的有效性和优越性。
2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术是通过以下技术方案实现：
3、本
4、1)对双臂机器人协调运动约束进行建模；分别对作为主臂的机械臂j1、作为从臂的机械臂j2、世界坐标系以及搬运物体之间存在的位姿约束和速度约束进行建模；
5、2)双臂机器人在工作空间中的动力学建模；
6、3)双臂机器人闭链系统的建模；
7、4)基于位置动力学模型设计滑模控制器。
8、进一步地，步骤1)中，位姿约束的建模具体为：
9、位姿约束关系为：
10、
11、其中，为物体质心坐标系相对世界坐标系下的齐次变换矩阵；和分别为主臂和从臂的基坐标系相对世界坐标系下的齐次变换矩阵，和分别为主臂和从臂末端执行器坐标系相对自身基坐标系的齐次变换矩阵，和为物体质心坐标系相对主臂和从臂末端执行器坐标系的齐次变换矩阵。
12、进一步地，步骤1)中，速度约束的建模具体为：
13、速度约束关系为：
14、
15、其中：jl(q)为关节速度映射为末端连杆的线速度雅各比矩阵；qj1和qj2分别为主臂和从臂的关节位移矢量；和分别为主臂和从臂的关节速度矢量。
16、进一步地，步骤2)中，工作空间中的动力学建模具体为：
17、双臂协调操作机器人的封闭式动力学模型为：
18、
19、其中：q＝(qj1，qj2)∈r1×12,h(q)＝diag[hj1(qj1)hj2(qj2)]∈r12×12为双臂组合的广义惯性分块矩阵；为双臂组合的离心力和哥氏力矩阵；表示双臂组合的离心力和哥氏力项；g(q)＝[gj1(qj1),gj2(qj2)]∈r12×1，双臂组合重力矩阵；τm＝[τm,j1,τm,j2]∈r12×1代表主臂与从臂与物体之间相互作用的广义力矩；τd＝[τd,j1,τd,j2]∈r12×1代表外加在双臂的干扰力矩；τ＝[τj1,τj2]∈r12×1表示两只臂的控制力矩。
20、进一步地，步骤3)中，双臂机器人闭链系统的建模具体为：
21、当双臂机器人搬运目标物体在操作空间中进行运动规划时，为了防止物体脱落的可能，需要对双臂系统进行闭链约束，通过双臂的末端执行器施加在夹持物体的广义驱动力进行力约束控制；
22、物体的运动通过其质心m的运动来描述，建立欧拉力矩平衡方程和牛顿力平衡方程如下：
23、
24、其中：i为搬运物体的惯性张量；ω和分别为所搬运物体绕其质心出转动的角速度和角加速度；m为搬运物体的质量；为搬运物体质心处的加速度矢量；g为引力矢量。
25、进一步地，步骤4)中，滑模控制器设计具体为：
26、由于双臂机器人系统是一个典型的非线性控制系统，在实际运动过程中，有着位置精度低，控制不稳定缺点，考虑到双曲正切函数的陡度优于符号函数，使用连续的双曲正切函数替换传统滑模控制器中的符号切换函数sign(x)，结合双臂协调操作机器人的封闭式动力学模型，设计基于位置环的滑模控制器：
27、
28、其中：为位置控制环下的角加速度控制输入量；k＝diag(k1,k2,…,k12)为控制器的增益矩阵；η为双曲正切函数的切换增益值；ε＞0，其值决定双曲正切函数坡度高低，其余各标量均大于0。
29、进一步地，由简化上式得到以下闭环控制系统方程：
30、
31、当全局运动达到平衡点时即总有因此能够得到全局稳定的末端轨迹跟踪效果。
32、进一步地，在完成上述位置控制与力控制的闭环控制后，要实现的双臂搬运操作，搬运过程中需要末端执行器与物体发生接触，并保持稳定，需要对双臂进行运动规划以及稳定的力/力矩控制，实现双臂机器人力协调搬运物体的操作任务；根据以上内容的分析，能够得到在闭链约束坐标系下的基于位置动力学模型的滑模控制率为：
33、
34、本专利技术的有益效果是：
35、1、本专利技术提出的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，完善了目前基于滑模控制的轨迹跟踪算法多应用于二连杆机械臂或无确定性机械臂动力学模型的局限性。
36、2、本专利技术设计了基于位置动力学的双臂末端轨迹滑模控制仿真系统，同时引入双曲正切函数作为滑模切换函数，有效的抑制传统滑模控制算法造成的抖振，提升了操作物在运动过程中的末端轨迹精度。
37、3、仿真结果验证了基于改进滑模控制器的力/位混合控制算法能够成功的应用于具有确定的机械臂动力学模型的情况，输出力矩稳定，且轨迹跟踪效果良好，验证了本专利技术方法的有效性和优越性。
38、当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
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1.基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤1)中，位姿约束的建模具体为：
3.根据权利要求2所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤1)中，速度约束的建模具体为：
4.根据权利要求3所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤2)中，工作空间中的动力学建模具体为：
5.根据权利要求4所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤3)中，双臂机器人闭链系统的建模具体为：
6.根据权利要求5所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤4)中，滑模控制器设计具体为：
7.根据权利要求6所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，由简化上式得到以下闭环控制系统方程：
8.根据权利要求7所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其
...【技术特征摘要】
1.基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤1)中，位姿约束的建模具体为：
3.根据权利要求2所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤1)中，速度约束的建模具体为：
4.根据权利要求3所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤2)中，工作空间中的动力学建模具体为：
5.根据权利要求4所述的基于位置动力学的双臂机器人末端轨迹的滑模控制方法，其特征在于，步骤3)中，双臂机器人闭链系统的建模具体为：
<...【专利技术属性】
技术研发人员：徐向荣，刘胤真，杨浩，俞青松，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：
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