[發明專利]一種移動機械臂分散集中自主切換控制方法

有效

• 申請號: 201310164581.8
• 申請日: 2013-05-07
• 公開（公告）號: CN103240739A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 吳懷宇;陳雪鋒;韓濤;吳若鴻;鐘銳;張志芬;林冠西
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡琳萍

技術領域

本發明屬于機器人控制技術領域，具體涉及一種基于移動機械臂的分散-集中自主切換控制方法。

背景技術

自二十世紀機械臂問世以來，機械臂得到了快速發展，并廣泛用在了軍事、工業和醫療等方面。隨著各方面技術的進步，傳統機械臂工作空間有限的缺點日益突出，使其已經無法滿足各種較高的科技需求。由于移動機械臂擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運動冗余性，使得近幾年來對于移動機械臂的研究成為了機器人領域中的熱點。然而，又由于機械臂與可移動平臺之間具有不同的動力學特性并存在強耦合問題，因此，移動機械臂的研究也是機器人領域中研究的難點問題之一。

移動機械臂由一個可移動平臺和一個或多個機械臂組成，這一結構使得移動機械臂既具有可移動平臺的移動性，又具有了機械臂的可操作性。目前，針對移動機械臂的研究主要分為兩個方向：一是對可移動平臺和機械臂兩個子系統的分散控制研究；二是對可移動平臺和機械臂作為一個整體集中控制。

由于對于移動機械臂的集中控制研究難度較大，存在動力學強耦合、運動學冗余、非完整約束限制等問題，因此，目前針對移動機械臂的研究大多停留在分散控制的研究（于振中,閆繼宏,趙杰,陳志峰.9DOF全方位移動機械臂運動學及其控制系統研究.高技術通訊,2011年第21卷第1期）。分散控制是指將可移動平臺和機械臂看作兩個獨立的子系統，忽略系統的動力學耦合，分別設計控制器來實現對兩個子系統的控制。這種分散控制思想在國內外已經相對成熟，但是受其精度的影響，應用范圍大打折扣。

針對移動機械臂分散控制所存在的不足，移動機械臂的集中控制思想應運而生（譚湘敏,趙冬斌,易建強,徐冬.全方位移動機械手運動控制I—建模與控制水.機械工程學報,2009年第45卷第1期）。它是將可移動平臺和機械臂進行了整合，因此，它既擁有了可移動性，有擁有了可操作性。但是，在面對一個簡單的任務時，這種集中控制所具有運動學冗余缺陷暴露出來，使得在完成任務時所付出的代價過大。

綜上所述，現有針對移動機械臂的研究仍有以下問題：針對可移動平臺和機械臂兩個子系統之間存在的強耦合、運動學冗余等問題還有待進一步的研究；在面對復雜度不同的任務時，不能合適的選取分散控制還是集中控制，同時控制精度和實時性等性能指標也得不到保證。

因此，對于移動機械臂在其工作性能及兩個子系統自主切換并協調的控制這兩個方面還具有很高的研究價值。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：針對現有技術中所存在的上述問題，提出一種移動機械臂分散集中自主切換控制方法，該方法能夠針對不同的控制任務，在分散、集中控制之間選擇一個合理的控制方案，保證在可移動平臺和機械臂之間協調控制并保證任務的順利完成，能夠提高在未知外擾、環境時變、避障等不確定性因素影響下，移動機械臂的控制性能。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案為：

一種移動機械臂分散集中自主切換控制方法，其特征在于主要包括以下步驟：

A：對移動機械臂建立世界坐標系和車載坐標系，獲取移動機械臂的當前位姿；移動機械臂的當前位姿是依靠平臺上的傳感裝置和建立的坐標系確定的；世界坐標系用于確定移動機械臂在世界坐標中的位置；車載坐標系用于確定移動機械臂在行進過程中由傳感器測量出的物體相對于移動機械臂的位置；

B：由A步驟獲取的移動機械臂的當前位姿，分別搭建分散控制模式和集中控制模式下移動機械臂的運動學模型和動力學模型，并根據搭建的運動學模型和動力學模型進行軌跡規劃；

當采用分散控制模式時，對機械臂和可移動平臺分別進行控制，包括對可移動平臺的路徑規劃，并利用D-H方法對機械臂建立運動學模型，進而對機械臂進行軌跡規劃；當采用集中控制模式時，首先通過對機械結構和運動特性的分析，建立整體系統的運動學模型，然后利用拉格朗日力學法建立動力學模型，并在此模型基礎上對機械臂和可移動平臺進行協調控制，最后，采用人工勢函數方法驅使移動機械臂系統完成運動規劃任務；

C：設計出分散集中自主切換控制器并根據分散集中自主切換控制器目標函數取值決定是否進行控制模式切換，如給定的任務比較復雜，利用分散集中自主切換控制器，實現在分散控制模式和集中控制模式之間的切換，之后以切換后的控制模式對移動機械臂進行控制，并驅動移動機械臂運動，最終完成既定任務；如給定的任務比較簡單，不需要通過分散集中自主切換控制器切換控制模式來實現，則按B步驟原定的分散控制模式或集中控制模式繼續對移動機械臂進行控制，最終完成既定任務。