[發明專利]一種面向未知環境約束的可重構機械臂控制方法及系統

有效

• 申請號: 202110447459.6
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113103237B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 馬冰;董博;張振國;安天驕;盧曾鵬
• 申請（專利權）人: 長春工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 馮靜

本發明公開了一種面向未知環境約束的可重構機械臂控制方法及系統。所述包括：構建約束空間下多自由度的可重構機械臂的動力學模型；基于動力學模型，采用自適應估計參數法建立可重構機械臂的狀態空間方程；基于狀態空間方程，采用多信息融合函數構建性能指標函數和哈密爾頓?雅可比?貝爾曼函數；采用自適應動態規劃算法，通過神經網絡評價模型對性能指標函數進行估計，并基于性能指標估計函數，采用策略迭代算法對哈密爾頓?雅可比?貝爾曼函數進行求解，得到近似的最優力和位置跟蹤控制策略。本發明能實現未知環境約束下可重構機械臂的精確控制。

技術領域

本發明涉及機器人控制領域，特別是涉及一種面向未知環境約束的可重構機械臂控制方法及系統。

背景技術

可重構機械臂是一類具有標準模塊與接口，可以根據不同的任務需求對自身構形進行重新組合與配置的機械臂。根據模塊化的概念，可重構機械臂的關節模塊包含了通訊、驅動、控制、傳感等單元，可以使機械臂在不同的外界環境與約束下根據任務需要改變自身構形，使重構后的機械臂能夠對新的工作環境有更好的適應性。正是由于這樣的結構特點，可重構機械臂具有融合最新的機械、傳感器以及計算機控制技術的能力，以及具有良好的重塑、自適應的能力，能夠根據環境和任務改變以及優化自身的結構，快速、有效地完成任務，因此，可重構機械臂在軍事、航天、救援和核工業等領域具有重大意義。

對于許多情況，機械臂的力控制任務與位置控制具有同樣重要的意義。當機械臂的末端或其末端工具與周圍環境產生接觸時，只利用位置控制往往不能滿足要求。例如鉆孔、磨削、剝刮等任務中，不僅要控制機械臂末端的位置，而且要更多地關注到末端與環境之間的接觸力控制任務。對于一些更復雜的作業，如工作環境不確定或變化的裝配和高精度裝配作業，對其跟蹤誤差的要求甚至超過機械臂本身所能達到的精度。如果仍然通過位置控制來實現控制精度的提高是十分困難的，不僅代價昂貴可能還會徒勞無益，因此研究人員采用力控制方案來解決這一問題。對機械臂末端進行力控制，就是對機械臂與環境之間的相互作用力進行控制。機械臂的力控制方法很多，但都是依賴于機械臂的位置和力的混合控制，以便適應因作業結構而產生的位置約束。對于一個受環境約束的可重構機械臂，由于環境約束使得機械臂末端不能實現空間上的任意運動，并且由于任務要求需要對位置和末端接觸力同時進行控制。傳統的力/位置控制方法，主要的思想是將力的控制以質量-彈簧-阻尼模型轉換成相應末端的位置控制，由于模型的不精準性導致了控制精度的有限性。并且大多數的力/位置控制都過多的依賴于環境約束和機器人之間的動力學信息，然而這一要求對于可變構形的可重構機械臂來說是十分困難的。因此，在面向未知環境約束的情況下，如何提高可重構機械臂的控制精度成為目前亟待解決的問題。

發明內容

基于此，有必要提供一種面向未知環境約束的可重構機械臂控制方法及系統，以提高在未知環境約束下可重構機械臂的控制精度。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種面向未知環境約束的可重構機械臂控制方法，包括：

構建約束空間下多自由度的可重構機械臂的動力學模型；

基于所述動力學模型，采用自適應估計參數法建立所述可重構機械臂的狀態空間方程；

基于所述狀態空間方程，采用多信息融合函數構建性能指標函數和哈密爾頓-雅可比-貝爾曼函數；

采用自適應動態規劃算法，通過神經網絡評價模型對所述性能指標函數進行估計，得到性能指標估計函數，并基于所述性能指標估計函數，采用策略迭代算法對所述哈密爾頓-雅可比-貝爾曼函數進行求解，得到近似的最優力和位置跟蹤控制策略；所述近似的最優力和位置跟蹤控制策略為所述哈密爾頓-雅可比-貝爾曼函數最小時對應的力和位置跟蹤控制策略。

可選的，所述構建約束空間下多自由度的可重構機械臂的動力學模型，具體包括：

獲取所述可重構機械臂的關節位置和關節速度；