CN109648567A - 一种具有容噪特性的冗余度机械臂高精度规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有容噪特性的冗余度机械臂高精度规划方法，包括：根据机械臂运动规划的要求，考虑规划过程中噪声的干扰，通过引入位置误差及其积分信息的反馈，设计噪声环境下的运动规划方案；采用高阶数值差分公式对其进行离散化处理，建立具有容噪特性的高精度规划方案；下位机控制器根据高精度规划方案的求解结果，驱动机械臂使其有效准确地完成给定的末端规划任务。本发明的基于误差反馈和差分公式设计的高精度规划方法，使得机械臂在存在噪声的情况下仍然能够精准地完成给定的末端规划任务，从而有效提高机械臂在实际应用中的规划精度。

Description

一种具有容噪特性的冗余度机械臂高精度规划方法

技术领域

本发明涉及冗余度机械臂的规划及控制领域，具体涉及一种具有容噪特性的冗余度机械臂高精度规划方法。

背景技术

冗余度机械臂是一种末端能动且其所拥有的自由度要多于执行末端规划任务所需自由度的机械装置；已广泛应用于工业自动化等生产活动中。冗余度机械臂的运动规划是机械臂应用研究中的一个重要问题，即，给定机械臂末端执行器期望的运动轨迹(或称，末端规划任务)，我们需要实时求解得到机械臂相应的关节变量轨迹。目前已有多种有效的方案被提出并用于机械臂的运动规划中。然而，大部分方案都不考虑噪声的干扰；一旦遇到噪声的干扰，那么方案将失效，机械臂成功完成给定的末端规划任务也无从说起。另外，虽然有部分方案具有抗噪特性，但其并不考虑噪声干扰下运动规划的精度(即，仅考虑抗噪，不考虑规划精度)，从而使得方案在冗余度机械臂的实际应用中难以取得理想的规划效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法的不足，提供一种具有容噪特性的冗余度机械臂高精度规划方法。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种具有抗噪特性的冗余度机械臂重复运动规划方法，包括以下步骤：

S101，根据机械臂运动规划的要求，考虑规划过程中噪声的干扰，通过引入位置误差及其积分信息的反馈，设计噪声环境下的运动规划方案；

S102，采用高阶数值差分公式对其进行离散化处理，建立具有容噪特性的高精度规划方案；

S103，下位机控制器根据方案的求解结果，驱动机械臂使其有效精准地完成给定的末端规划任务。

上述技术方案中，所述噪声环境下的运动规划方案表示为：

其中，设计参数k_P>0，k_I>0，且两者满足θ(t)表示机械臂关节角度，表示机械臂关节速度，J⁺(θ(t))表示机械臂的雅可比矩阵J(θ(t))的伪逆；e(t)表示机械臂运动规划过程中的位置误差且定义为e(t)＝r_d(t)-f(θ(t))，f(·)表示一个非线性映射函数，r_d(t)表示机械臂末端执行器期望的运动轨迹；表示r_d(t)的时间导数；y(t)表示位置误差e(t)的积分信息且定义为δ(t)表示机械臂运动规划过程中所遇到的噪声信息；t表示时间；τ表示积分变量。

所述高阶数值差分公式表示为：

其中，k表示迭代次数且k＝4,5,…，σ表示采样间隔。

所述具有容噪特性的高精度规划方案表示为：

其中，

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明能有效克服现有方法的不足，提供了一种使得机械臂在存在噪声的情况下仍然能够精准地完成给定的末端规划任务的高精度规划方法；从而有效提高机械臂在实际应用中的规划精度。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1所示，本发明一种具有抗噪特性的冗余度机械臂重复运动规划方法，主要由引入位置误差及其积分信息的反馈1、设计噪声环境下的运动规划方案2、采用高阶数值差分公式进行离散化3、建立具有容噪特性的高精度规划方案4、下位机控制器5、冗余度机械臂6这六个部分组成。

首先根据机械臂运动规划的要求，考虑规划过程中噪声的干扰，通过引入位置误差及其积分信息的反馈，设计噪声环境下的运动规划方案；然后采用高阶数值差分公式对上述方案进行离散化处理，从而建立具有容噪特性的高精度规划方案；最后下位机控制器将高精度规划方案的求解结果用于驱动机械臂的各个关节以使机械臂精准地完成给定的末端规划任务。

根据机械臂运动规划的要求，考虑规划过程中噪声的干扰，通过引入位置误差及其积分信息的反馈，噪声环境下的运动规划方案可表示为：

其中，设计参数k_P>0，k_I>0，且两者满足θ(t)表示机械臂关节角度，表示机械臂关节速度，J⁺(θ(t))表示机械臂的雅可比矩阵J(θ(t))的伪逆；e(t)表示机械臂运动规划过程中的位置误差且定义为e(t)＝r_d(t)-f(θ(t))，f(·)表示一个非线性映射函数，r_d(t)表示机械臂末端执行器期望的运动轨迹；表示r_d(t)的时间导数，y(t)表示位置误差e(t)的积分信息且定义为δ(t)表示机械臂运动规划过程中所遇到的噪声信息，t表示时间，τ表示积分变量。

对于所述运动规划方案，可采用如下的高阶数值差分公式进行离散化处理：

其中，k表示迭代次数且k＝4,5,…，σ表示采样间隔。

基于高阶数值差分公式(2)和(3)来离散所述运动规划方案，便可建立如下具有容噪特性的高精度规划方案：

其中，

对于上述高精度规划方案，需要五个数值对，即{θ₀,y₀}，{θ₁,y₁}，{θ₂,y₂}，{θ₃,y₃}，{θ₄,y₄}，来完成规划方案的初始化。在这种情况下，首先给定一个初始的数值对{θ₀,y₀}，其余的四个数值对可根据如下公式计算：

基于上述计算所得的五个数值对，通过该高精度规划方案的不断迭代，便可得到用于冗余度机械臂在噪声环境下仍可实现高精度运动规划的各个时刻t_i∈[0,T]的关节角度解，即{θ_i＝θ(t_i＝iσ)|i＝0,1,2,…,(T/σ)}，其中T表示机械臂运动规划的周期。

在得到规划机械臂运动的关节角度解之后，再将结果传递给下位机控制器以驱动机械臂各个关节的运动，从而使得机械臂有效精准地完成所给定的末端规划任务。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (2)

1.一种具有容噪特性的冗余度机械臂高精度规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101，通过引入位置误差及其积分信息的反馈，设计噪声环境下的运动规划方案；所述运动规划方案表示如下：

其中，设计参数k_P>0，k_I>0，且两者满足θ(t)表示机械臂关节角度，表示机械臂关节速度，J⁺(θ(t))表示机械臂的雅可比矩阵J(θ(t))的伪逆；e(t)表示机械臂运动规划过程中的位置误差，且e(t)＝r_d(t)-f(θ(t))，f(·)表示一个非线性映射函数，r_d(t)表示机械臂末端执行器期望的运动轨迹；表示r_d(t)的时间导数，y(t)表示位置误差e(t)的积分信息，且δ(t)表示机械臂运动规划过程中所遇到的噪声信息；t表示时间；τ表示积分变量。

S102，采高阶数值差分公式对所述运动规划方案进行离散化处理，建立具有容噪特性的高精度规划方案；

所述高阶数值差分公式表示如下：

其中，θ_k＝θ(t＝kσ)，k表示迭代次数且k＝4,5,…，σ表示采样间隔；

所建立的高精度规划方案表示如下：

其中，e_k＝e(t＝kσ)，δ_k＝δ(t＝kσ)。

2.根据权利要求1所述的具有容噪特性的冗余度机械臂高精度规划方法，其特征在于，所述方法还包括：

S103，下位机控制器根据所述高精度规划方案的求解结果，驱动机械臂完成给定的末端规划任务。