CN107253191A - 一种双机械臂系统及其协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双机械臂系统及其协调控制方法，该方法包括：S01、以两组经尺度缩放后的对偶四元数分别描述当前状态下末端执行器的对偶位置；S02、计算当前状态下两机械臂末端执行器的相对对偶位置和绝对对偶位置；S03、确定完成协同操作所需的相对对偶位置和绝对对偶位置；S04、计算当前状态下相对对偶位置和绝对对偶位置相对应的雅可比矩阵；S05、计算当前状态下相对对偶位置和绝对对偶位置的误差值,设计控制算法，结合雅可比矩阵，生成左机械臂和右机械臂各个关节电机的旋转角度增量；S06、重复S01、S02、S04和S05直到当前状态下两机械臂末端执行器的相对对偶位置和绝对对偶位置的误差值到达允许范围内，协同任务完成。本发明简化控制结构，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及多个机器人协调控制领域技术领域，具体涉及一种双机械臂系统及其协调控制方法。
背景技术
双机械臂系统模仿人类的双机械臂结构，与普通的单机械臂相比，在负载能力、操作的灵巧性和效率方面具有明显的优势，预计在精密装配和服务机器人等领域具有重要的应用前景。要充分发挥双机械臂机器人的优势，需要双机械臂具有协调操作的功能。在复杂环境中，双机械臂机器人协调操作主要基于协作任务空间的控制方法。运动部件的平移通常采用三维空间矢量来表示，转动通常采用欧拉角或旋转矩阵来表示。旋转部分采用欧拉角时，仅需要三个参数就能表示机械臂末端的转动，但可能会引起奇异的问题；而采用旋转矩阵需要九个参数。并且由于平移和旋转分属于两种不同的几何量，单位尺度不一致，因此在控制系统中引入两种不同的环路对位移和旋转分别进行控制。该方法会进一步增加控制系统的复杂度。
不难看出，现有技术还存在进一步改善的空间，有必要开发新型的双机械臂系统协调控制方法。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种双机械臂系统及其协调控制方法，通过将运动部件的平移运动和旋转运动表示为对偶四元数的形式，在同一控制环路中实现平移和旋转的运动控制，实现双机械臂的协调运动控制。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种双机械臂系统，包括左机械臂和右机械臂，左机械臂包括左机械臂基座、至少一个左机械臂关节、左机械臂末端执行器，左机械臂基座通过左机械臂关节与左机械臂末端执行器连接，右机械臂包括右机械臂基座、至少一个右机械臂关节、右机械臂末端执行器，右机械臂基座通过右机械臂关节与右机械臂末端执行器连接，左机械臂基座与右机械臂基座连接。
一种双机械臂系统的协调控制方法，包括如下步骤：
S01、以两组经尺度缩放后的对偶四元数分别描述当前状态下左机械臂末端执行器的对偶位置和右机械臂末端执行器的对偶位置；
S02、根据S01得出的左机械臂末端执行器的对偶位置和右机械臂末端执行器的对偶位置，计算当前状态下两机械臂末端执行器的相对对偶位置和绝对对偶位置；
S03、在上位机中对协同操作任务进行分解，用S02的方法计算得到的协同任务开始时两机械臂末端执行器的相对对偶位置和绝对对偶位置，确定完成协同操作所需的两机械臂末端执行器相对对偶位置和绝对对偶位置；
S04、计算当前状态下S02中确定的相对对偶位置相对应的雅可比矩阵和绝对对偶位置相对应的雅可比矩阵；
S05、根据S01、S02和S03计算双机械臂系统当前状态下两机械臂末端执行器的相对对偶位置的误差值和绝对对偶位置的误差值，设计控制算法，结合S04获取的雅可比矩阵，生成左机械臂和右机械臂各个关节电机的旋转角度增量，同时驱动左机械臂和右机械臂到达下一状态；
S06、更新左机械臂和右机械臂各关节电机的位置信息，重复步骤S01、S02、S04和S05直到当前状态下两机械臂末端执行器的相对对偶位置的误差值和绝对对偶位置的误差值到达允许范围内，协同任务完成。
进一步地，步骤S01具体包括：
S011、将左机械臂基座的位置和各关节位姿用标准Denavit-Hartenberg参数表示成对偶位置的形式；
S012、将右机械臂基座的位置和各关节位姿用标准Denavit-Hartenberg参数表示成对偶位置的形式；
S013、选取缩放因子为双机械臂臂展，对S011及S012中得到的各个对偶位置的对偶部分按缩放因子进行尺度缩放，得到统一尺度下的对偶位置；
S014、从左机械臂的第一关节开始，将S013获取的表示各关节位姿信息的对偶位置依次相乘，得到各个关节在基座坐标系下的对偶位置，最终相乘的结果和左机械臂基座的对偶位置相乘，得到左机械臂末端执行器在全局坐标下的对偶位置；
S015、从右机械臂的第一关节开始，将S013获取的表示各关节位姿信息的对偶位置依次相乘，得到各个关节在基座坐标系下的对偶位置，最终相乘的结果和右机械臂基座的对偶位置相乘，得到右机械臂末端执行器在全局坐标下的对偶位置。
进一步地，步骤S02具体包括：
S021、将S01获取的右机械臂末端执行器的对偶位置的共轭与S01获取的左机械臂末端执行器的对偶位置相乘，得到两机械臂末端执行器的相对对偶位置；
S022、将S01获取的右机械臂末端执行器的对偶位置与S021获取的两机械臂相对对偶位置的平方根相乘，得到两机械臂末端执行器的绝对对偶位置。
进一步地，步骤S03具体包括：
在上位机中对协同操作任务进行分解，确定整个协同操作过程中两机械臂的相对位移和共同位移，得到两机械臂完成协同操作所需的相对对偶位置和绝对对偶位置。
进一步地，步骤S04具体包括：
使用对偶位置和对各关节角直接求导的方法，得出末端执行器的对偶位置对应的雅可比矩阵；相对对偶位置对应的雅可比矩阵和绝对对偶位置对应的雅可比矩阵可由对偶位置对各关节角求导得出。
进一步地，步骤S05中，控制算法采用PID控制；对所得到的各关节电机旋转增量进行限幅。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)、通过对对偶四元数进行比例缩放，所得的对偶位置可以描述不同特征尺寸下双机械臂系统相对对偶位置和绝对对偶位置，降低因尺度问题对控制效果的影响；
2)、通过以对偶四元数统一描述双机械臂系统的位置和姿态，调用双机械臂协调控制算法，实现双机械臂的协调运动，简化控制的结构，提高效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明双机械臂系统的结构示意图；
图2是本发明双机械臂系统的协调控制方法的流程图；
图3是本发明控制系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、左机械臂第一关节 2、左机械臂第二关节
3、左机械臂第三关节 n、左机械臂自由度数
m、右机械臂自由度数 BL、左机械臂基座
BR、右机械臂基座 EL、左机械臂末端执行器
ER、右机械臂末端执行器 L、左机械臂
R、右机械臂
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种双机械臂系统，包括左机械臂L和右机械臂R，左机械臂L包括左机械臂基座BL、n个左机械臂关节、左机械臂末端执行器EL，左机械臂基座BL通过左机械臂关节与左机械臂末端执行器EL连接，右机械臂R包括右机械臂基座BR、m个右机械臂关节、右机械臂末端执行器ER，右机械臂基座BR通过右机械臂关节与右机械臂末端执行器ER连接，左机械臂基座BL与右机械臂基座BR连接。
实施例2
如图2、图3所示，本发明还提供一种双机械臂系统的协调控制方法，包括如下步骤：
S01、以两组经尺度缩放后的对偶四元数分别描述当前状态下,左机械臂L和右机械臂R各关节角度为Θ＝[ΘL ΘR]时，末端执行器EL和ER的对偶位置h L和h R；
其中，步骤S01具体包括：
S011、将左机械臂基座BL的位置和各关节iL(iL＝1,2,…,n，其中，n为左机械臂L的自由度)位姿用标准Denavit-Hartenberg(D-H)参数表示成对偶四元数(对偶位置)的形式和
式中，xBL、yBL和zBL为左机械臂基座BL的位置偏移；θiL、diL、aiL和αiL为左机械臂L各关节iL的标准D-H参数；
S012、将右机械臂基座BR的位置和各关节iR(iR＝n+1,n+2,…,n+m,m为右机械臂R自由度数)位姿用标准D-H参数表示成对偶四元数的形式(对偶位置)和
式中，xBR、yBR和zBR为右机械臂基座BR的位置偏移；θiR、diR、aiR和αiR为右机械臂R各关节iR的标准D-H参数；
S013、选取缩放因子d为双机械臂臂展，对S011及S012中得到的各个对偶位置的对偶部分按缩放因子d进行尺度缩放，得到统一尺度下的对偶位置hBL、hiL、h BL和h iL；
S014、从左机械臂L的第一关节1开始，将S013获取的表示各关节iL(iL＝1,2,…,n)位姿信息的对偶位置h jL依次相乘，得到各个关节在基座坐标系下的对偶位置最终相乘的结果和基座的对偶位置相乘h BL，得到左机械臂末端执行器EL在全局坐标下的对偶位置
S015、从右机械臂R的第一关节n+1开始，将S012获取的表示各关节iR(iR＝n+1,n+2,…,n+m)位姿信息的对偶位置hiR依次相乘，得到各个关节在基座坐标系下的对偶位置最终相乘的结果和基座的对偶位置相乘hBR，得到右机械臂R末端执行器ER在全局坐标下的对偶位置
S02、根据S01得出的左机械臂L和右机械臂R末端执行器EL和ER的对偶位置h L和h R，计算当前状态下左机械臂L和右机械臂R末端执行器EL和ER的相对对偶位置和绝对对偶位置h am；
其中，步骤S02具体包括：
S021、将S01获取的右机械臂R末端执行器ER的对偶位置的共轭与S01获取的左机械臂L末端执行器EL的对偶位置h L相乘，得到两机械臂末端执行器相对对偶位置
S022、将S01获取的右机械臂末端R执行器ER的对偶位置hR与S021获取的两机械臂相对对偶位置的平方根相乘，得到两机械臂末端执行器绝对对偶位置h am。
S03、在上位机1中对协同操作任务进行分解，用S02的方法计算得到的协同任务开始时左机械臂L和右机械臂R末端执行器EL和ER的相对对偶位置和绝对对偶位置h a0，确定完成协同操作所需的相对对偶位置和绝对对偶位置h ad；
其中，步骤S03具体包括：
在上位机1中对协同操作任务进行分解，确定整个协同操作过程中两机械臂的相对位移和共同位移h a_motion，得到两机械臂完成协同操作末端执行器所需的相对对偶位置：
和绝对对偶位置:
其中，P(·)为取实部(不包含ε的项之和)操作符；P(·)*为其共轭。
S04、计算当前状态下S02中确定的相对对偶位置相对应的雅可比矩阵Jr和绝对对偶位置h am相对应的雅可比矩阵Ja；
其中，步骤S04具体包括：
使用对偶位置h L和h R对各关节角Θ直接求导的方法，得出末端执行器EL和ER的对偶位置对应的雅可比矩阵JL和JR；相对对偶位置对应的雅可比矩阵Jr和绝对对偶位置对应的雅可比矩阵Ja可由对偶位置和h am对各关节角Θ求导得出。
S05、根据S01、S02和S03计算双机械臂系统当前状态下两机械臂末端执行器EL和ER的相对对偶位置的误差值和绝对对偶位置的误差值e a＝h ad-h am，设计控制算法，结合S04获取的雅可比矩阵Jr和Ja，生成左机械臂L和右机械臂R各个关节电机的旋转角度增量ΔΘ＝[ΔΘL ΔΘR]，同时驱动左机械臂L和右机械臂R到达下一状态；
其中，步骤S05中，控制算法采用PID控制；对所得到的各电机旋转增量ΔΘ进行限幅。
S06、更新左机械臂L和右机械臂R各关节电机的位置信息Θ+ΔΘ＝[ΘL+ΔΘLΘR+ΔΘR]，重复步骤S01、S02、S04和S05直到当前状态下两机械臂末端执行器EL的相对对偶位置的误差值e r和绝对对偶位置的误差值e a到达允许范围内||[er；ea]||＜δ，协同任务完成。
本发明双机械臂系统的协调控制方法，通过对偶四元数来表示运动部件的平移运动和旋转运动，计算两机械臂末端执行器的相对对偶位置和绝对对偶位置，从而控制双机械臂协调运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)、通过对对偶四元数进行比例缩放，所得的对偶位置可以描述不同特征尺寸下双机械臂系统相对对偶位置和绝对对偶位置，降低因尺度问题对控制效果的影响；
2)、通过以对偶四元数统一描述双机械臂系统的位置和姿态，调用双机械臂协调控制算法，实现双机械臂的协调运动，简化控制的结构，提高效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种双机械臂系统，其特征在于，包括左机械臂和右机械臂，左机械臂包括左机械臂基座、至少一个左机械臂关节、左机械臂末端执行器，左机械臂基座通过左机械臂关节与左机械臂末端执行器连接，右机械臂包括右机械臂基座、至少一个右机械臂关节、右机械臂末端执行器，右机械臂基座通过右机械臂关节与右机械臂末端执行器连接，左机械臂基座与右机械臂基座连接。
2.一种双机械臂系统的协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01、以两组经尺度缩放后的对偶四元数分别描述当前状态下左机械臂末端执行器的对偶位置和右机械臂末端执行器的对偶位置；
S02、根据S01得出的左机械臂末端执行器的对偶位置和右机械臂末端执行器的对偶位置，计算当前状态下两机械臂末端执行器的相对对偶位置和绝对对偶位置；
S03、在上位机中对协同操作任务进行分解，用S02的方法计算得到的协同任务开始时两机械臂末端执行器的相对对偶位置和绝对对偶位置，确定完成协同操作所需的两机械臂末端执行器相对对偶位置和绝对对偶位置；
S04、计算当前状态下S02中确定的相对对偶位置相对应的雅可比矩阵和绝对对偶位置相对应的雅可比矩阵；
S05、根据S01、S02和S03计算双机械臂系统当前状态下两机械臂末端执行器的相对对偶位置的误差值和绝对对偶位置的误差值，设计控制算法，结合S04获取的雅可比矩阵，生成左机械臂和右机械臂各个关节电机的旋转角度增量，同时驱动左机械臂和右机械臂到达下一状态；
S06、更新左机械臂和右机械臂各关节电机的位置信息，重复步骤S01、S02、S04和S05直到当前状态下两机械臂末端执行器的相对对偶位置的误差值和绝对对偶位置的误差值到达允许范围内，协同任务完成。
3.根据权利要求2所述的双机械臂系统的协调控制方法，其特征在于，步骤S01具体包括：
S011、将左机械臂基座的位置和各关节位姿用标准Denavit-Hartenberg参数表示成对偶位置的形式；
S012、将右机械臂基座的位置和各关节位姿用标准Denavit-Hartenberg参数表示成对偶位置的形式；
S013、选取缩放因子为双机械臂臂展，对S011及S012中得到的各个对偶位置的对偶部分按缩放因子进行尺度缩放，得到统一尺度下的对偶位置；
S014、从左机械臂的第一关节开始，将S013获取的表示各关节位姿信息的对偶位置依次相乘，得到各个关节在基座坐标系下的对偶位置，最终相乘的结果和左机械臂基座的对偶位置相乘，得到左机械臂末端执行器在全局坐标下的对偶位置；
S015、从右机械臂的第一关节开始，将S013获取的表示各关节位姿信息的对偶位置依次相乘，得到各个关节在基座坐标系下的对偶位置，最终相乘的结果和右机械臂基座的对偶位置相乘，得到右机械臂末端执行器在全局坐标下的对偶位置。
4.根据权利要求2所述的双机械臂系统的协调控制方法，其特征在于，步骤S02具体包括：
S021、将S01获取的右机械臂末端执行器的对偶位置的共轭与S01获取的左机械臂末端执行器的对偶位置相乘，得到两机械臂末端执行器的相对对偶位置；
S022、将S01获取的右机械臂末端执行器的对偶位置与S021获取的两机械臂相对对偶位置的平方根相乘，得到两机械臂末端执行器的绝对对偶位置。
5.根据权利要求2所述的双机械臂系统的协调控制方法，其特征在于，步骤S03具体包括：
在上位机中对协同操作任务进行分解，确定整个协同操作过程中两机械臂的相对位移和共同位移，得到两机械臂完成协同操作所需的相对对偶位置和绝对对偶位置。
6.根据权利要求2所述的双机械臂系统的协调控制方法，其特征在于，步骤S04具体包括：
使用对偶位置和对各关节角直接求导的方法，得出末端执行器的对偶位置对应的雅可比矩阵；相对对偶位置对应的雅可比矩阵和绝对对偶位置对应的雅可比矩阵可由对偶位置对各关节角求导得出。
7.根据权利要求2所述的双机械臂系统的协调控制方法，其特征在于，步骤S05中，控制算法采用PID控制；对所得到的各关节电机旋转增量进行限幅。
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