[發(fā)明專利]一種提高機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃控制精度的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910819330.6
• 申請日: 2019-08-31
• 公開（公告）號: CN110561433B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張雨濃;凌一宏;黃煥昌;施妮妮;毛明志
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

本發(fā)明公開一種提高機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃控制精度的方法，包括以下步驟：根據(jù)機(jī)械臂的機(jī)械機(jī)構(gòu)，得到機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型，通過動力學(xué)理論分析，得到機(jī)械臂的控制模型；根據(jù)機(jī)械臂的控制模型，利用歐拉公式和外推法進(jìn)行求解；根據(jù)求解結(jié)果對機(jī)械臂的運(yùn)動進(jìn)行控制。本發(fā)明采用動力學(xué)方法，在理想情況下，成功在速度層上實現(xiàn)機(jī)械臂實際末端軌跡對理想軌跡的跟蹤控制。同時，通過引入外推法，實現(xiàn)在控制信號可能丟失情況下的控制模型，提高機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃控制精度，以解決機(jī)械臂末端跟蹤性能下降的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械臂控制領(lǐng)域，更具體地，涉及一種提高機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃控制精度的方法。

背景技術(shù)

機(jī)器人作為一個蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域，已經(jīng)在工業(yè)和服務(wù)業(yè)等產(chǎn)業(yè)中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用場景，比如工業(yè)中的噴漿機(jī)器人、焊接機(jī)器人、車載機(jī)械臂等和服務(wù)業(yè)中客服機(jī)器人、康復(fù)輔助機(jī)器人等。許多機(jī)器人控制問題都可以歸類為機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃控制問題，解決此類問題的關(guān)鍵是得到有效的機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃控制模型，使機(jī)械臂在某些約束條件下轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)角達(dá)到末端軌跡跟蹤理想軌跡的要求。機(jī)械臂控制系統(tǒng)通常分為離線控制系統(tǒng)和在線控制系統(tǒng)。對于機(jī)械臂離線控制系統(tǒng)，已經(jīng)存在研究成熟的技術(shù)。然而，機(jī)械臂在線控制系統(tǒng)具有更廣泛的應(yīng)用場景和更重要的研究價值。機(jī)械臂在線控制系統(tǒng)依賴于計算機(jī)和機(jī)械臂之間可靠的通訊模塊，但是在復(fù)雜的環(huán)境中，數(shù)據(jù)鏈路受干擾的現(xiàn)象普遍存在，造成控制信號丟失的情況時有發(fā)生。

過去的研究多涉及在理想環(huán)境對機(jī)器臂運(yùn)動進(jìn)行在線規(guī)劃控制。由于在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)鏈路在電磁或其它物理干擾下控制信號會出現(xiàn)丟失的情況，而控制信號丟失時會造成控制失效和跟蹤性能下降等問題。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)與方法的不足，本發(fā)明提出了一種提高機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃控制精度的方法。本發(fā)明采用動力學(xué)方法，在理想情況下，成功在速度層上實現(xiàn)機(jī)械臂實際末端軌跡對理想軌跡的跟蹤控制。同時，通過引入外推法，實現(xiàn)在控制信號可能丟失情況下的控制模型，以解決機(jī)械臂末端跟蹤性能下降的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種提高機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃控制精度的方法，包括以下步驟：

根據(jù)機(jī)械臂的機(jī)械機(jī)構(gòu)，得到機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型；

根據(jù)機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型，通過動力學(xué)理論分析，得到機(jī)械臂的控制模型；

根據(jù)機(jī)械臂的控制模型，利用歐拉公式和外推法進(jìn)行求解；

根據(jù)求解結(jié)果對機(jī)械臂的運(yùn)動進(jìn)行控制。

本發(fā)明中，考慮到在實際應(yīng)用中，控制器和機(jī)械臂之間的鏈路傳輸中可能會發(fā)生控制信號丟失的情況，從而引起跟蹤誤差增大和控制模型跟蹤性能下降等問題。因此引入外推法，在控制信號可能丟失情況下，實現(xiàn)機(jī)械臂的高精度運(yùn)動規(guī)劃控制。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型通過下式進(jìn)行表達(dá)：

其中，所述的k表示第k時刻，所述的f(·)為非線性映射函數(shù)，所述的θ_k為第k時刻的機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角的角度，所述的為實際的第k時刻的機(jī)械臂的末端軌跡，所述的為理想的第k時刻的機(jī)械臂的末端軌跡，所述的為第k時刻的機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角的角度的時間導(dǎo)數(shù)，所述的為實際的第k時刻的機(jī)械臂的末端軌跡的時間導(dǎo)數(shù)，所述的J(·)是雅可比矩陣。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的機(jī)械臂的控制模型通過下式進(jìn)行表達(dá)：

所述的g(·)為動力學(xué)映射函數(shù)，所述的為第k-1時刻的機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角的角速度；

若信號傳輸成功，則θ_k利用歐拉公式通過下式進(jìn)行表達(dá)：