CN108406765B - 一种开链式多臂机器人阻抗控制方法 - Google Patents
一种开链式多臂机器人阻抗控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种开链式多臂机器人同步阻抗控制方法,属于机器人阻抗控制领域。现有的阻抗控制方法解决了多臂系统力和位置控制的跃变问题,但忽略了多臂间存在的相对误差,该相对误差会叠加累积,进而严重影响操作性能。本发明的阻抗控制方法通过计算机械臂和与该机械臂相邻的两机械臂各自的位姿误差,进而求取该机械臂的同步位姿误差与耦合位姿误差。所获得的位姿误差参数被输入至同步阻抗控制器中,最终实现机械臂的闭环控制。本发明的阻抗控制方法大大降低了多臂间的误差对操作的影响,提高了操作精度,从而有力地保证了机器人多臂同步协调控制的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人的阻抗控制领域,尤其涉及一种开链式多臂机器人同步阻抗控制方法。
背景技术
据发明人了解,多臂机器人在完成一个操作任务时,机械臂不仅需要具有一定的柔顺特性,同时需要保证多条机械臂的位置同步性和力同步性,实现多臂协调控制。
机器人多臂协调控制方式主要包括纯位置控制、主从控制、力位混合控制和阻抗控制。纯位置控制方法对多臂的运动学参数要求较高,需要对机械臂进行较好的标定,仅适用于系统的位置柔性较大的情况;主从控制方式的控制器有两个,两个控制器之间通过协调器进行数据之间的交换,因此多条臂之间的控制命令存在耦合,不利于操作稳定;力位混合控制在多臂协调中存在力控制和位置控制之间转换的问题,尤其在操作状态发生变化时,多臂系统力控制和位置控制存在阶跃跳变的情况;
现有的阻抗控制方法通过不断调整刚度系数,有效地避免了在状态切换过程中力或者位置控制的跳变情况。但是,忽略了机器人多臂间的相对误差,臂间的相对误差会不断叠加累积,进而严重影响多臂的操作性能。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题,提出一种误差小、操作精度高、稳定性强且适用范围大的开链式多臂机器人位姿同步阻抗控制方法。
本发明的技术方案为:
一种开链式多臂机器人阻抗控制方法,机器人的机械臂至少包括:机械臂i、与机械臂i相邻的机械臂(i-1)和机械臂(i+1);
该阻抗控制方法通过如下步骤实现:
步骤S10,测量所述机械臂i在t时刻的实际接触力F(t)和实际接触力矩M(t);
步骤S11,由所述机械臂i的操作任务,计算机械臂i的末端期望接触力和末端期望接触力矩;
步骤S12,由所述机械臂i的操作任务,计算机械臂i末端的期望位姿;
步骤S13,测量所述机械臂i关节的绝对角度参数;
步骤S14,根据步骤S13得到的关节绝对角度参数计算所述机械臂i的末端实际位姿;
步骤S15,根据步骤S11得到的所述机械臂i末端的期望接触力和步骤S10得到的所述机械臂i末端的实际接触力之间的关系,以及步骤S11得到的所述机械臂i末端期望接触力矩和步骤S10得到的所述机械臂i末端的实际接触力矩之间的关系,得出所述机械臂i的末端阻抗控制关系;
步骤S16,根据步骤S15的所述机械臂i的阻抗控制关系,计算所述机械臂i的阻抗期望位姿;
步骤S17,根据步骤S12计算出的所述机械臂i末端的期望位姿、步骤S14计算出的所述机械臂i的末端实际位姿和步骤S16计算出的所述机械臂i的阻抗期望位姿,计算所述机械臂i的末端位姿误差;参照所述机械臂i得到所述机械臂(i+1)和所述机械臂(i-1)对应的末端期望位姿、末端实际位以及末端位姿误差;由所述机械臂i、机械臂(i+1)和机械臂(i-1)各自对应的机械臂末端位置误差获得所述机械臂i的同步位姿误差和耦合位姿误差;
步骤S18,根据步骤S17获得的所述机械臂i的同步位姿误差和耦合位姿误差,计算所述机械臂i的期望位姿输出;
步骤S19,根据步骤S15的所述机械臂i的末端阻抗控制关系,计算所述机械臂i的阻抗期望加速度和阻抗速度增量;
步骤S20,结合步骤S18得到的所述机械臂i的期望位姿输出和步骤S19得到的所述机械臂i的阻抗期望加速度增量和阻抗期望速度增量,实现机械臂i的闭环控制。
更进一步地,步骤S17具体包括如下步骤:
步骤S171,根据步骤S14计算出的所述机械臂i的末端实际位姿、步骤S12计算出的所述机械臂i末端的期望位姿和步骤S16计算出的所述机械臂i的阻抗期望位姿,得到所述机械臂i末端的位姿误差;
步骤S172,参照步骤S13测量所述机械臂(i-1)关节的绝对角度参数,然后,参照步骤S14计算所述机械臂(i-1)末端实际位姿;参照步骤S12,根据所述机械臂(i-1)的操作任务计算所述机械臂(i-1)末端期望位姿;根据所述机械臂(i-1)末端的实际位姿和期望位姿之间的关系得到所述机械臂(i-1)的末端位姿误差;
步骤S173,参照步骤S13测量所述机械臂(i+1)关节的绝对角度参数,然后,参照步骤S14计算所述机械臂(i+1)末端实际位姿;参照步骤S12,根据所述机械臂(i+1)的操作任务计算所述机械臂(i+1)末端期望位姿;根据所述机械臂(i+1)末端的实际位姿和期望位姿之间的关系得到所述机械臂(i+1)的末端位姿误差;
步骤S174,根据步骤S171得到的所述机械臂i末端的位姿误差和步骤S172得到的所述机械臂(i-1)的末端位姿误差,得到所述机械臂i的同步位姿误差;
步骤S175,根据步骤S171得到的所述机械臂i末端的位姿误差、步骤S172得到的所述机械臂(i-1)的末端位姿误差和步骤S173得到的所述机械臂(i+1)的末端位姿误差,得到所述机械臂i的耦合位姿误差。
更进一步地,步骤S20具体包括如下步骤:
步骤S201,通过步骤S13测出的所述机械臂i的关节绝对角度,计算所述机械臂i的关节角速度;
步骤S202,根据所述机械臂i的操作任务,计算所述机械臂i的末端期望速度;
步骤S203,根据机械臂速度雅克比关系和步骤S201计算出的所述机械臂i的关节角速度,计算所述机械臂i末端的实际速度;
步骤S204,根据根据步骤S13测出的所述机械臂i的关节绝对角度和步骤S201计算出的所述机械臂i的关节角速度,计算所述机械臂i的末端实际加速度,公式为:
步骤S205,根据所述机械臂i操作任务,计算所述机械臂i的末端期望加速度;
步骤S206,根据S203计算出的所述机械臂i的末端实际速度和S202计算出的所述机械臂i的末端期望速度之间的差值,求出所述机械臂i的末端速度补偿量;
步骤S207,根据雅克比关系以及步骤S206求出的所述机械臂i的末端速度补偿量,求出所述机械臂i的关节角速度瞬时补偿量,该补偿量等效为所述机械臂i的关节速度补偿量;
步骤S208,根据步骤S204计算出的所述机械臂i末端的实际加速度和步骤S205计算出的所述机械臂i的末端期望加速度之间的差值,得到所述机械臂i的加速度补偿量;
步骤209,根据步骤S208得到的所述机械臂i的末端加速度补偿量,得到所述机械臂i的关节加速度补偿量;
步骤S210,根据步骤S12计算出的所述机械臂i的期望位姿和步骤S14计算出的所述机械臂i末端实际位姿之差,得到所述机械臂i的位姿补偿量;
步骤S211,根据步骤S210得到的所述机械臂i的位姿补偿量和逆运动学关系得到所述机械臂i的关节角度补偿量;
步骤S212,根据步骤S207得到的所述机械臂i的关节速度补偿量、步骤S209得到的所述机械臂i的关节加速度补偿量和步骤S211得到的所述机械臂i的关节角度补偿量,得到所述机械臂i的关节控制补偿量参数,从而实现所述机械臂i的关节闭环控制。
与现有技术相比,本发明有以下有益效果:
本发明的开链式多臂机器人同步阻抗控制方法对控制位置的柔性要求较宽,因而适用范围更广;同时,本发明的方法通过计算多臂间的同步误差和耦合误差并减弱误差所带来的影响,大大提高了系统控制精度以及系统的安全性与稳定性,从而实现开链式多臂机器人系统的柔顺特性,进而保证机器人多臂位姿的同步协调控制。
附图说明
图1为开链式多臂机器人同步阻抗控制方法;
图2为机械臂期望位姿计算具体流程图;
图3为机械臂关节控制具体流程图。
具体实施方式
以3条臂机器人协作完成操作任务为例,该3条机械臂为:机械臂i、与机械臂i相邻的机械臂(i-1)和机械臂(i+1);
如图1所示,本发明的开链式多臂机器人阻抗控制方法包括以下步骤:
步骤S10,通过安装在机械臂i末端的六维力矩传感器测量机械臂i在t时刻的实际接触力F(t)和实际接触力矩M(t);
步骤S11,由机械臂i的操作任务,得到机械臂i的末端期望操作力和末端期望接触力矩;
步骤S12,由机械臂i的操作任务,得到机械臂i末端的期望位姿;
步骤S13,通过关节位置传感器得到机械臂i关节的绝对角度参数;
步骤S14,通过步骤S13得到的关节绝对角度参数和机械臂i的正运动学计算出机械臂i的末端实际位姿;
步骤S15,根据步骤S11得到的机械臂i末端的期望接触力和步骤S10得到的机械臂i末端的实际接触力之间的关系以及步骤S11得到的机械臂i末端期望接触力矩和步骤S10得到的机械臂i末端的实际接触力矩之间的关系,得出机械臂i的末端阻抗控制器,即机械臂i的末端阻抗控制关系;
步骤S16,基于步骤S15的机械臂i阻抗控制关系,得到机械臂i的阻抗期望位姿;
步骤S17,根据机械臂i末端的同步控制器,得到机械臂(i+1),机械臂i和机械臂(i-1)各自的期望位姿和实际位姿,进而得到各自的位姿误差,由三个机械臂的位姿误差得到机械臂i的同步位姿误差和耦合位姿误差,此步骤具体地包括以下步骤,如图2所示:
步骤S171,根据步骤S14计算出的机械臂i的末端实际位姿、步骤S12计算出的机械臂i末端的期望位姿和步骤S16计算出的所述机械臂i的阻抗期望位姿,得到机械臂i末端的位姿误差;
步骤S172,参照步骤S13测量机械臂(i-1)关节的绝对角度参数,然后,参照步骤S14计算机械臂(i-1)末端实际位姿;参照步骤S12,根据机械臂(i-1)的操作任务计算机械臂(i-1)末端期望位姿;根据机械臂(i-1)末端的实际位姿和期望位姿之间的关系得到机械臂(i-1)的末端位姿误差;
步骤S173,参照步骤S13测量机械臂(i+1)关节的绝对角度参数,然后,参照步骤S14计算机械臂(i+1)末端实际位姿;参照步骤S12,根据机械臂(i+1)的操作任务计算机械臂(i+1)末端期望位姿;根据机械臂(i+1)末端的实际位姿和期望位姿之间的关系得到机械臂(i+1)的末端位姿误差;
步骤S174,根据步骤S171得到的机械臂i末端的位姿误差和步骤S172得到的机械臂(i-1)的末端位姿误差,得到机械臂i的同步位姿误差;
步骤S175,根据步骤S171得到的机械臂i末端的位姿误差、步骤S172得到的机械臂(i-1)的末端位姿误差和步骤S173得到的机械臂(i+1)的末端位姿误差,得到机械臂i的耦合位姿误差;
步骤S18,根据步骤S17获得的机械臂i的同步位姿误差和耦合位姿误差,计算机械臂i的期望位姿输出;
步骤S19,根据步骤S15的机械臂i的末端阻抗控制关系,计算机械臂i的阻抗期望加速度增量和阻抗期望速度增量;
步骤S20,结合步骤S18得到的机械臂i的期望位姿输出和步骤S19得到的机械臂i的阻抗期望加速度增量和阻抗期望速度增量,实现机械臂i的闭环控制。此步骤具体包括以下步骤,如图3所示:
步骤S201,通过步骤S13中关节速度观测器测出的机械臂i的关节绝对角度,计算机械臂i的关节角速度;
步骤S202,根据机械臂i的操作任务,计算机械臂i的末端期望速度;
步骤S203,根据机械臂速度雅克比关系和步骤S201计算出的机械臂i的关节角速度,计算机械臂i末端的实际速度;
步骤S204,根据根据步骤S13测出的所述机械臂i的关节绝对角度和步骤S201计算出的所述机械臂i的关节角速度,计算所述机械臂i的末端实际加速度,公式为:
步骤S205,根据机械臂i操作任务,计算机械臂i的末端期望加速度;
步骤206,根据S203计算出的机械臂i的末端实际速度和S202计算出的机械臂i的末端期望速度之间的差值,求出机械臂i的末端速度补偿量;
步骤S207,根据雅克比关系以及步骤S206求出的机械臂i的末端速度补偿量,求出机械臂i的关节角速度瞬时补偿量,在≤200ms的时间段内,该补偿量等效为机械臂i的关节速度补偿量;
步骤S208,根据步骤S204计算出的机械臂i末端的实际加速度和步骤S205计算出的机械臂i的末端期望加速度之间的差值,得到机械臂i的加速度补偿量;
步骤209,根据步骤S208得到的机械臂i的末端加速度补偿量,得到机械臂i的关节加速度补偿量;
步骤S210,根据步骤S12计算出的机械臂i的期望位姿和步骤S14计算出的机械臂i末端实际位姿之差,得到机械臂i的位姿补偿量;
步骤S211,根据步骤S210得到的所述机械臂i的位姿补偿量和逆运动学关系得到所述机械臂i的关节角度补偿量;
步骤S212,根据步骤S207得到的机械臂i的关节速度补偿量、步骤S209得到的机械臂i的关节加速度补偿量和步骤S211得到的机械臂i的关节角度补偿量,得到机械臂i的关节控制补偿量参数,从而实现机械臂i的关节闭环控制。
本发明的开链式多臂机器人阻抗控制方法原理在于:
机械臂的笛卡尔阻抗控制系统的内环采用笛卡尔位置控制,外环采用阻抗控制器,并在笛卡尔位置控制中引入同步控制思想,根据机械臂与物体、机械臂与机械臂之间的运动约束关系,设计以同步位置误差作为输入的同步阻抗控制器,从而实现开链式多臂机器人系统的柔顺特性,进而保证多臂末端位姿的同步性。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式,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 (3)
1.一种开链式多臂机器人阻抗控制方法,其特征在于,机器人的机械臂至少包括:机械臂i、与机械臂i相邻的机械臂(i-1)和机械臂(i+1);
该阻抗控制方法通过如下步骤实现:
步骤S10,测量所述机械臂i在t时刻的实际接触力F(t)和实际接触力矩M(t);
步骤S11,由所述机械臂i的操作任务,计算机械臂i的末端期望接触力和末端期望接触力矩;
步骤S12,由所述机械臂i的操作任务,计算机械臂i末端的期望位姿;
步骤S13,测量所述机械臂i关节的绝对角度;
步骤S14,根据步骤S13得到的关节绝对角度参数计算所述机械臂i的末端实际位姿;
步骤S15,根据步骤S11得到的所述机械臂i末端的期望接触力和步骤S10得到的所述机械臂i末端的实际接触力之间的关系以及步骤S11得到的所述机械臂i末端期望接触力矩和步骤S10得到的所述机械臂i末端的实际接触力矩之间的关系,得出所述机械臂i的末端阻抗控制关系;
步骤S16,根据步骤S15的所述机械臂i的阻抗控制关系,计算所述机械臂i的阻抗期望位姿;
步骤S17,根据步骤S12计算出的所述机械臂i末端的期望位姿、步骤S14计算出的所述机械臂i的末端实际位姿和步骤S16计算出的所述机械臂i的阻抗期望位姿,计算所述机械臂i的末端位姿误差;
参照所述机械臂i得到所述机械臂(i+1)和所述机械臂(i-1)对应的末端期望位姿、末端实际位姿以及末端位姿误差;由所述机械臂i、机械臂(i+1)和机械臂(i-1)各自对应的机械臂末端位姿误差获得所述机械臂i的同步位姿误差和耦合位姿误差;
步骤S18,根据步骤S17获得的所述机械臂i的同步位姿误差和耦合位姿误差,计算所述机械臂i的期望位姿输出;
步骤S19,根据步骤S15的所述机械臂i的末端阻抗控制关系,计算所述机械臂i的阻抗期望加速度增量和阻抗期望速度增量;
步骤S20,结合步骤S18得到的所述机械臂i的期望位姿输出和步骤S19得到的所述机械臂i的阻抗期望加速度增量和阻抗期望速度增量,实现机械臂i的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种开链式多臂机器人阻抗控制方法,其特征在于,
步骤S17具体地,包括如下步骤:
步骤S171,根据步骤S14计算出的所述机械臂i的末端实际位姿、步骤S12计算出的所述机械臂i末端的期望位姿和步骤S16计算出的所述机械臂i的阻抗期望位姿,得到所述机械臂i末端的位姿误差;
步骤S172,参照步骤S13测量所述机械臂(i-1)关节的绝对角度参数,然后,参照步骤S14计算所述机械臂(i-1)末端实际位姿;参照步骤S12,根据所述所述机械臂(i-1)的操作任务计算所述机械臂(i-1)末端期望位姿;根据所述机械臂(i-1)末端的实际位姿和期望位姿之间的关系得到所述机械臂(i-1)的末端位姿误差;
步骤S173,参照步骤S13测量所述机械臂(i+1)关节的绝对角度参数,然后,参照步骤S14计算所述机械臂(i+1)末端实际位姿;参照步骤S12,根据所述机械臂(i+1)的操作任务计算所述机械臂(i+1)末端期望位姿;根据所述机械臂(i+1)末端的实际位姿和期望位姿之间的关系得到所述机械臂(i+1)的末端位姿误差;
步骤S174,根据步骤S171得到的所述机械臂i末端的位姿误差和步骤S172得到的所述机械臂(i-1)的末端位姿误差,得到所述机械臂i的同步位姿误差;
步骤S175,根据步骤S171得到的所述机械臂i末端的位姿误差、步骤S172得到的所述机械臂(i-1)的末端位姿误差和步骤S173得到的所述机械臂(i+1)的末端位姿误差,得到所述机械臂i的耦合位姿误差。
3.根据权利要求1所述的一种开链式多臂机器人阻抗控制方法,其特征在于,
步骤S20具体地,包括如下步骤:
步骤S201,通过步骤S13测出的所述机械臂i的关节绝对角度,计算所述机械臂i的关节角速度;
步骤S202,根据所述机械臂i的操作任务,计算所述机械臂i的末端期望速度;
步骤S203,根据机械臂速度雅克比关系和步骤S201计算出的所述机械臂i的关节角速度,计算所述机械臂i末端的实际速度;
步骤S204,根据根据步骤S13测出的所述机械臂i的关节绝对角度和步骤S201计算出的所述机械臂i的关节角速度,计算所述机械臂i的末端实际加速度,公式为:
步骤S205,根据所述机械臂i操作任务,计算所述机械臂i的末端期望加速度;
步骤S206,根据S203计算出的所述机械臂i的末端实际速度和S202计算出的所述机械臂i的末端期望速度之间的差值,求出所述机械臂i的末端速度补偿量;
步骤S207,根据雅克比关系以及步骤S206求出的所述机械臂i的末端速度补偿量,求出所述机械臂i的关节角速度瞬时补偿量,该补偿量等效为所述机械臂i的关节速度补偿量;
步骤S208,根据步骤S204计算出的所述机械臂i末端的实际加速度和步骤S205计算出的所述机械臂i的末端期望加速度之间的差值,得到所述机械臂i的加速度补偿量;
步骤209,根据步骤S208得到的所述机械臂i的末端加速度补偿量,得到所述机械臂i的关节加速度补偿量;
步骤S210,根据步骤S12计算出的所述机械臂i的期望位姿和步骤S14计算出的所述机械臂i末端实际位姿之差,得到所述机械臂i的位姿补偿量;
步骤S211,根据步骤S210得到的所述机械臂i的位姿补偿量和逆运动学关系得到所述机械臂i的关节角度补偿量;
步骤S212,根据步骤S207得到的所述机械臂i的关节速度补偿量、步骤S209得到的所述机械臂i的关节加速度补偿量和步骤S211得到的所述机械臂i 的关节角度补偿量,得到所述机械臂i的关节控制补偿量参数,从而实现所述机械臂i的关节闭环控制。
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