[發明專利]一種基于終端任務指派的可重構機械臂協同力/運動控制系統與方法

有效

• 申請號: 202110553169.X
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113276114B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 趙博;夏宏兵;譚聰;侯佳序
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/08
• 代理公司: 昆明合眾智信知識產權事務所 53113
• 代理人: 湯文旋

本發明提供一種基于終端任務指派的可重構機械臂協同力/運動控制系統與方法，包括以下步驟：構建可重構機械臂子系統的動力學模型，從系統整體動力學模型中分離出各個關節模塊的局部變量，利用雅可比矩陣映射關系將末端接觸力指派給各子系統；針對子系統動力學模型，設計基于神經網絡的魯棒分散觀測器，獲得子系統的局部輸入矩陣；設計輔助系統，確定子系統的跟蹤誤差動力學系統；構建自適應嵌套更新律，更新評判網絡權值，求解HJB方程得到運動控制子系統；利用拉格朗日乘子反饋法得到力控制子系統；將運動控制子系統與力控制子系統合成，構建基于終端任務指派的可重構機械臂協同力/運動控制系統。

技術領域

本發明涉及機器人控制與最優控制技術領域，具體為一種基于終端任務指派的可重構機械臂協同力/運動控制系統與方法。

背景技術

可重構機械臂是一類由一組標準的關節模塊接口和連桿模塊組合而成，并可以通過增刪模塊來變換其形狀以自適應地完成不同任務的機械臂。由于其具有通用性、便攜性、易于組裝，且成本低廉等優點，可重構機械臂經常在人類無法直接參與的場景中發揮著巨大作用，如：精密制造、深空探測、災難救援、高溫高壓環境等。值得指出的是，控制性能決定著生產質量，運行效率與安全性。因此，針對在此類惡劣工作環境下的可重構機械臂系統，開發一種最優化、智能化且低能耗的控制系統與方法非常迫切，為充分發揮“模塊化”的特點，分散控制方法更適用于可重構機械臂。相對于集中式和分布式控制方法，分散控制方法僅利用子系統動力學信息實現，是一種具有更簡單的控制結構、較少的參數調整、且子系統間沒有信息交換的控制策略，通過標準關節模塊協同完成復雜的工作任務。

自適應動態規劃(ADP)作為解決傳統動態規劃算法常導致的“維數災”困難的有效方法，其主要思想是借助函數估計器(如神經網絡和模糊邏輯等)結合動態規劃、強化學習等技術近似求解哈密頓-雅可比-貝爾曼方程(HJB)方程，進而實現最優控制系統。多年來，利用ADP的最優控制方法來處理可重構機械臂的位置跟蹤、執行器故障等問題的研究取得了一些理論成果與進展。然而在現有的相關研究中，如公開號為CN105196294B提供的一種采用位置測量的可重構機械臂分散控制方法，公開號為CN109240092A提供的一種基于多智能體可重構模塊化柔性機械臂軌跡跟蹤控制方法，關注的幾乎均為位置控制方法，然而，在拋光、打蠟、擰緊和裝配等任務中，可重構機械臂的末端不可避免地與外部環境接觸，并在作業對象表面上施加力的作用，現有的因此，開發一種面向可重構機械臂模塊化特性的協同力/運動控制系統與方法成為當務之急，哈爾濱工程大學的碩士論文“手臂康復訓練機器人控制及實驗研究”，也是通過協同力/運動控制來控制用于康復訓練的機械本體，但是該方法應用在可重構機械臂上存在著以下的不足：1、由于可重構機械臂需要根據需要拓展關節模塊，現有的方法通常是為特定的系統設計的，無法進行拓展，通用性和可移植性差；2、可重構機械臂在工作時需要進行學習與進行動態規劃時，現有的力/運動控制方法的快速性和穩定性難以滿足需求；3、現有的協同力/運動控制的方式仍舊是單輸入單輸出的控制方法且可重構機械臂的控制維度大，因此若采用此方法來控制可重構機械臂，會造成控制系統的穩定性差，而且需要大量的數據進行計算，計算的負擔和能耗高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于終端任務指派的可重構機械臂協同力/運動控制方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于終端任務指派的可重構機械臂協同力/運動控制方法，包括：

S1:構建可重構機械臂子系統的動力學模型，根據可重構機械臂系統特有的模塊化屬性，從系統整體動力學模型中分離出各個關節模塊的局部變量，將其分解為多個相互交聯的子系統集合，并利用雅可比矩陣映射關系將末端接觸力指派給各子系統；

其中，所述步驟S1包括以下步驟：

S101:構建自由度為n的可重構機械臂的動力學模型為：