[發明專利]一種用于捕獲翻滾目標的空間雙臂機器人控制方法

有效

• 申請號: 201811099190.1
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109015658B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 陳鋼;王玉琦;王一帆;潘廣堂;段嘉琪
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種用于捕獲翻滾目標的空間雙臂機器人控制方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)獲得空間雙臂機器人動力學方程及摩擦接觸方程；

所述的空間雙臂機器人動力學方程如(1)所示

其中，M＝J^+TA(q)J⁺為空間雙臂機器人操作空間慣性矩陣，J為空間雙臂機器人雅克比矩陣，J⁺表示J的廣義逆，q為關節角矢量，A(q)為空間雙臂機器人關節空間慣性矩陣，為空間雙臂機器人操作空間科氏力項和離心力項之和，B(q)為空間雙臂機器人關節空間科氏力系數，C(q)為空間雙臂機器人關節空間離心力系數，分別為左右臂關節角速度，為關節角速度，為空間雙臂機器人末端加速度矢量，F為空間雙臂機器人廣義驅動力，F_e為末端輸出力；

所述的摩擦接觸方程如(2)所示

F_e＝F_n+F_f (2)

其中，F_n為法向正壓力，F_f為切向摩擦力；

采用彈簧-阻尼模型，獲得接觸情況中的法向正壓力F_n：

其中，K為彈簧剛度，D為阻尼系數，Δp為彈簧的變形量，為Δp的一階導數，||F_n||為法向正壓力F_n的模值，F_n的方向為接觸面的法線方向；

采用LuGre模型，獲得接觸情況中的切向摩擦力F_f：

其中，σ₀為接觸表面的剛度系數，σ₁為阻尼系數，σ₂為粘性阻尼系數，z為接觸表面的形變量，為接觸表面的形變率，v為末端與目標表面的相對速度，||F_f||為切向摩擦力F_f的模值，F_f的方向為相對運動方向的反方向；

(2)考慮翻滾目標捕獲過程中目標的動態特性，建立空間雙臂機器人末端與目標接觸表面的運動約束關系及力約束關系，代入空間雙臂機器人動力學方程(1)中，獲得空間雙臂機器人協調操作系統的統一動力學方程(5)

其中，W＝[E₆ E₆]^T，E₆為6×6單位陣，為翻滾目標質心加速度矢量，為相對運動加速度，Q_a為科氏加速度，F_ext為目標的外力矢量，F_i為目標的內力矢量；

(3)依據所述空間雙臂機器人協調操作系統的統一動力學方程，獲得空間雙臂機器人捕獲翻滾目標的控制器。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，

利用空間雙臂機器人末端與目標表面的運動約束關系(6)，獲得空間雙臂機器人末端加速度矢量

利用如下空間雙臂機器人末端與目標接觸表面的力約束關系公式，獲得空間雙臂機器人末端輸出力F_e：

F_e＝F_ext+F_i (7)

其中，目標的外力矢量F_ext，用以平衡目標所受合外力F_o及作用于目標的外界環境力F_env，目標的內力矢量F_i，用以提供夾緊內力。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，

利用空間雙臂機器人末端與目標接觸表面的力約束關系(8)，并采用零空間理論，獲得目標的外力矢量F_ext及目標的內力矢量F_i

其中，M_o為目標慣性矩陣，C_o為科氏力/離心力系數矩陣，為翻滾目標質心速度矢量，F_o為目標所受合外力，F_env為目標所受外界環境力，J_o和J_p分別為空間雙臂機器人抓持矩陣和外界環境力接觸矩陣，為J_o的廣義逆矩陣的轉置矩陣，E₁₂為12×12單位陣。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，依據所述空間雙臂機器人協調操作系統的統一動力學方程，獲得空間雙臂機器人捕獲翻滾目標的控制器，包括：

(1)獲得目標操作空間阻抗控制方程：

其中，H_o為目標期望慣量，B_o為目標期望阻尼，K_o為目標期望剛度，為目標運動位姿誤差，Y_o為目標實際位姿，Y_od為目標期望位姿，和分別為運動位姿誤差的一階導和二階導，F_env為目標所受外界環境力；

依據上式，變換獲得控制變量目標加速度

其中，J_o和J_p分別為空間雙臂機器人抓持矩陣和外界環境力接觸矩陣，為J_p的廣義逆矩陣的轉置矩陣，M_o為目標慣性矩陣，C_o為科氏力/離心力系數矩陣，為目標期望加速度矢量；

(2)采用混合控制理論，獲得空間雙臂機器人笛卡爾空間混合阻抗控制方程：

其中，H_e為空間雙臂機器人末端期望慣量，B_e為空間雙臂機器人末端期望阻尼，K_e為空間雙臂機器人末端期望剛度，K_if為空間雙臂機器人內力控制增益，^cX_oed、和表示空間雙臂機器人末端與目標之間的期望相對運動位姿、期望相對運動速度和期望相對運動加速度，^cX_oe、和表示空間雙臂機器人末端與目標之間的實際相對運動位姿、實際相對運動速度和實際相對運動加速度，F_i為實際內力，F_id為期望內力，{C}為接觸坐標系，S為阻抗控制模式選擇矩陣，為力控制模式選擇矩陣；

依據上式(13)，變換獲得控制變量目標加速度

(3)依據所述目標操作空間阻抗控制方程及空間雙臂機器人笛卡爾空間混合阻抗控制方程，獲得空間雙臂機器人捕獲翻滾目標的多空間混合阻抗控制器：

其中，R_s為接觸坐標系與慣性系的轉換矩陣；

依據空間雙臂機器人捕獲翻滾目標的多空間混合阻抗控制器和空間雙臂機器人協調操作系統的統一動力學方程，獲得空間雙臂機器人廣義驅動力F，如式(16)：