CN111571577A - 绳驱机器人控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了绳驱机器人控制方法及系统。涉及控制领域，其中，方法通过对机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹，然后计算期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵，再根据目标刚度选取刚度比例因子对刚度矩阵进行优化，最后根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到机器人的电机角度。通过优化刚度矩阵能够根据实际位置选取最合适的刚度，提高绳驱机器人的刚度控制精度和效率。

Description

绳驱机器人控制方法及系统

技术领域

本发明涉及控制领域，尤其是涉及一种绳驱机器人控制方法及系统。

背景技术

随着机器人控制技术的快速发展，绳驱并联机器人在紧急救援、矿产检测、医疗和航空航天等领域有着越来越广泛的应用。而其中通过刚度来表示机器人运作时的抗干扰能力，设置不同的刚度会极大影响机器人的工作性能。由于目前绳驱并联机器人主要采用锚点座固定的方式，因此改变机器人刚度只能依靠采用不同刚度的绳索来实现，这种方式控制刚度不够灵活，难以得到目标位置下比较适宜的刚度。因此需要提出一种能够进行刚度优化的绳驱机器人控制方法，以获得目标位置的较优刚度。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种绳驱机器人控制方法，能够进行刚度优化获得目标位置的较优刚度。

第一方面，本发明的一个实施例提供了：一种绳驱机器人控制方法，包括：

对所述机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹；

计算所述期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵；

根据目标刚度选取刚度比例因子对所述刚度矩阵进行优化；

根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到所述机器人的电机角度。

进一步地，所述对所述机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹，包括：

根据轨迹方向向量计算相邻两个空间点的距离，并根据所述距离确定轨迹节点数量；

根据所述节点数量确定每两个节点间所述锚点座的运动速度和加速度；

根据所述运动速度和所述加速度得到期望轨迹。

进一步地，所述计算所述期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵中所述刚度矩阵表示为：

其中，K表示刚度矩阵，E表示绳索的杨氏模量，A表示绳索的截面积，

分别表示绳索长度，x、y、z、α、β、γ分别表示所述机器人的末端姿态，所述末端姿态包括末端坐标和旋转角。

进一步地，目标刚度与刚度比例因子的关系表示为：

k＝n₁·K₁₁+n₂·K₂₂+n₃·K₃₃+n₄·K₄₄+n₅·K₅₅+n₆·K₆₆

其中，k表示目标刚度，n₁，…，n₆分别表示刚度比例因子，所述刚度比例因子为所述末端姿态的各权重系数，K₁₁，…，K₆₆分别表示所述机器人末端的刚度值。

进一步地，所述根据目标刚度选取刚度比例因子对所述刚度矩阵进行优化的优化算法表示为：

其中，θ表示控制所述锚点座的电机角度，k表示目标刚度，X表示所述机器人的末端姿态。

进一步地，所述根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到所述机器人的电机角度，包括：

根据所述末端姿态和所述空间点的位置得到所述绳索长度；

根据绳索长度以及电机的绞盘半径得到所述电机角度。

进一步地，还包括对所述电机角度进行插补，以使所述机器人运动时更加平滑。

第二方面，本发明的一个实施例提供了：一种绳驱机器人控制系统，包括：

期望轨迹规划单元：用于对所述机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹；

刚度矩阵计算单元：用于计算所述期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵；

刚度矩阵优化单元：用于根据目标刚度选取刚度比例因子对所述刚度矩阵进行优化；

电机角度计算单元：用于根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到所述机器人的电机角度。

第三方面，本发明的一个实施例提供了：一种绳驱机器人控制设备，包括：

至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

其中，所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序，用于执行如第一方面任一项所述的方法。

第四方面，本发明的一个实施例提供了：一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面任一项所述的方法。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例通过对机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹，然后计算期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵，再根据目标刚度选取刚度比例因子对刚度矩阵进行优化，最后根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到机器人的电机角度。通过优化刚度矩阵能够根据实际位置选取最合适的刚度，提高绳驱机器人的刚度控制精度和效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。在附图中：

图1是本发明实施例中绳驱机器人控制方法的一具体实施例流程示意图；

图2是本发明实施例中绳驱机器人控制方法的一具体实施例x方向上刚度值迭代曲线示意图；

图3是本发明实施例中绳驱机器人控制方法的一具体实施例y方向上刚度值迭代曲线示意图；

图4是本发明实施例中绳驱机器人控制方法的一具体实施例z方向上刚度值迭代曲线示意图；

图5是本发明实施例中绳驱机器人控制系统的一具体实施例结构框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

实施例一：

本发明实施例一提供一种绳驱机器人控制方法，图1为本发明实施例提供的一种绳驱机器人控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：对机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹。

本实施例中设置可以移动的锚点座，绳驱机器人设置在可移动的锚点座上，根据锚点座的移动轨迹进行相应的操作。

下面以绳驱并联机器人为例进行说明，该机器人由16个电机进行控制，其中8个电机用于控制绳索的输出，另外8个电机控制锚点座的移动，当机器人末端的自由度为6时，其可以末端可以沿着x、y、z方向移动和转动，运动灵活，并通过超冗余控制，提高控制精度。可以理解的是，上述机器人的电机个数以及自由度仅作示意，并不对此做限定，可以根据实际工程需要，结合本实施例的方法控制不同数量电机和自由度的机器人。

S2：计算期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵，即通过上述步骤S1得到的期望轨迹找到对应的空间点信息，计算每个空间点位置上的刚度矩阵。

S3：根据目标刚度选取刚度比例因子对刚度矩阵进行优化，优化的目的是减少惯性的影响，从而减少运动扰动，提高控制精度。

S4：根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到机器人的电机角度。

下面详细描述本实施例的绳驱机器人控制方法。

在一种实施方式中，步骤S1对机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹，该轨迹规划包括对运动轨迹的规划以及对机器人末端速度v和加速度a的规划，具体规划过程包括：

S11：根据轨迹方向向量计算相邻两个空间点的距离，并根据距离确定轨迹节点数量。

轨迹方向向量表示为：

两个空间点的距离表示为：

L＝||P_end-P_start||

根据距离确定轨迹节点数量N表示为：

其中，n₁表示轨迹方向向量，P_start、P_end分别表示轨迹运动开始节点和轨迹运动时的下一个节点，L表示距离，N表示节点数量，d表示距离单元长度。

具体的，如果一段轨迹将其均分为两段，则将中间的等分点称为节点，即若分为N+1段，则包含N个节点。

S12：根据节点数量确定每两个节点间锚点座的运动速度和加速度。

根据上述步骤S11得到节点数量N以及距离单元长度d进行运动速度v和加速度a的规划。

当加速部分的轨迹大于总期望轨迹长度的一半时达不到最大速度，此时期望轨迹包括两部分：加速轨迹和减速轨迹，即此时将期望轨迹分成2段，节点数量为N＝1，每一段的轨迹长度为d，其在加速轨迹和减速轨迹的运动时间t₁、t₂表示为：

当加速部分的轨迹小于总长度的一半时，此时规划的期望轨迹包括三部分：加速轨迹x₁、匀速轨迹x₂和减速轨迹x₃，这三段轨迹的用时：加速时间、匀速时间和减速时间分别表示为：

d＝x₁+x₂+x₃

上式中三段轨迹的用时不同，可以通过每段轨迹的长度(即路程)、设定的速度和加速度算出每一段轨迹的时间。

S13：根据运动速度和加速度得到期望轨迹，通过合理的运动速度和加速度可以减少惯性影响以及运动扰动，即本实施例增强了机器人运动时的平稳性，且限制了其最大值以保证机器人运动时电机转速在其极限范围内。

得到期望轨迹之后，即能够找到相应空间点的信息，通过步骤S2计算机器人末端在每个空间点的刚度矩阵，刚度矩阵表示为：

其中，K表示刚度矩阵，E表示绳索的杨氏模量，用于描述固体材料抵抗形变能力的物理量，A表示绳索的截面积，

分别表示绳索长度，x、y、z、α、β、γ分别表示机器人的末端姿态，末端姿态包括末端坐标和旋转角，末端坐标表示为(x、y、z)，旋转角表示绕每个坐标轴上的旋转角度，表示为(α、β、γ)。

在一种实施方式中，采用8个电机带动8根绳索来控制锚点座的移动，因此，用l₁，…，l₈分别表示8根绳索的长度。

在一种实施方式中，目标刚度k与刚度比例因子的关系表示为：

k＝n₁·K₁₁+n₂·K₂₂+n₃·K₃₃+n₄·K₄₄+n₅·K₅₅+n₆·K₆₆

其中，k表示目标刚度，n₁，…，n₆分别表示刚度比例因子，所刚度比例因子为末端姿态的各权重系数，K₁₁，…，K₆₆分别表示机器人末端的刚度值。

即刚度比例因子对应的是x、y、z、α、β、γ的权重系数，可以根据实际工程需求进行设置，例如当机器人末端只在x轴方向上运动，此时x方向刚度最大，则设置n₁＝1，其他的刚度比例因子为0，即除了x轴方向的刚度最大外，忽略其他方向的刚度。同样的K₁₁，…，K₆₆表示机器人末端对应于末端姿态在x、y、z方向的刚度和绕x、y、z轴旋转的刚度，可通过刚度矩阵得到该参数。

上述得到刚度矩阵之后，步骤S3中，根据目标刚度选取刚度比例因子对刚度矩阵进行优化的优化算法表示为：

其中，θ表示控制锚点座的电机角度，k表示目标刚度，X表示机器人的末端姿态，通过满足优化算法的优化条件寻找合适的电机角度和末端姿态。

在一种实施例中，由于采用8个电机(例如电机1～电机8)用于控制绳索的输出，另外8个电机(例如电机9～电机16)带动8根绳索来控制锚点座的移动，所以θ可以表示为：

θ＝θ₉,θ₁₀,θ₁₁,θ₁₂,θ₁₃,θ₁₄,θ₁₅,θ₁₆

上述刚度矩阵中包含绳索长度，对刚度矩阵进行优化之后得到能达到优化目标的绳索长度，由于绳索长度由电机控制，因此可以根据绳索长度逆解求出用于控制绳索的电机角度。

在一种实施例中，步骤S4根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到机器人的电机角度的过程为：

S41：根据末端姿态和空间点的位置得到绳索长度，即当末端姿态和锚座点位置已知时，根据该位置处的刚度矩阵，求解得到绳索长度。

S42：由于绳索缠绕在圆形绞盘上，而绞盘的转动由电机控制，因此可以根据绳索长度以及电机的绞盘半径得到电机角度，表示为：

其中，θ₁表示控制绳索的电机角度，单位是弧度，l表示绳索长度，r表示电机输送绳索处的绞盘半径。

在另一种实施例中，对得到的电机角度进行插补，以使的机器人运动时更加平滑。例如可以选择三次插补的方式。三次插补即在每两个点间插入一个新的点将线段变成曲线，提高机器人运动的平滑度。

在一种实施例中，为针对由16个电机驱动的绳驱并联机器人进行仿真模拟，其中机器人的8个锚点座均可移动，其绳索采用直径0.5mm的钢丝绳，该钢丝绳的杨氏模量为150e9N/m²，采用优化算法fmincon对其进行优化求解得到最适宜的刚度。

如图2-图4所示，分别为x方向、y方向、z方向上刚度值迭代曲线示意图，在k＝-K11，k＝-K22等情况下的分析结果，由于k＝n₁·K₁₁+n₂·K₂₂+n₃·K₃₃+n₄·K₄₄+n₅·K₅₅+n₆·K₆₆，即分别是n₁＝-1,n₂＝n₃＝n₄＝n₅＝n₆＝0，n₂＝-1,n₁＝n₃＝n₄＝n₅＝n₆＝0，根据图2-图4可知，利用本实施例的方法，经过迭代能够得到较为稳定的刚度值。

本实施例通过对机器人锚点座进行轨迹规划得到轨迹参数，在此基础上计算当前空间点位置上机器人的刚度矩阵，然后选择合适的刚度比例因子对刚度矩阵进行优化求解，根据优化结果逆解得出该刚度矩阵条件下的绳索长度，并将其转化为电机角度，从而得到机器人在目标位置下的最适宜刚度。

实施例二：

本实施例提供一种绳驱机器人控制系统，用于执行如实施例一所述的方法，如图5所示，为本实施例的绳驱机器人控制系统的结构框图，包括：

期望轨迹规划单元100：用于对机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹；

刚度矩阵计算单元200：用于计算期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵；

刚度矩阵优化单元300：用于根据目标刚度选取刚度比例因子对刚度矩阵进行优化；

电机角度计算单元400：用于根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到机器人的电机角度。

上述中绳驱机器人控制系统各单元模块的具体细节已经在实施例一对应的绳驱机器人控制方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。

另外，本发明还提供绳驱机器人控制设备，包括：

至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

其中，所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序，用于执行如实施例一所述的方法。计算机程序即程序代码，当程序代码在绳驱机器人控制设备上运行时，程序代码用于使绳驱机器人控制设备执行本说明书上述实施例一部分描述的绳驱机器人控制方法中的步骤。

另外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，其中计算机可执行指令用于使计算机执行如实施例一所述的方法。

不失一般性，所述计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储其技术，CD-ROM、DVD或其他光学存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其他磁性存储设备。当然，本领域技术人员可知所述计算机存储介质不局限于上述几种。

需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于存储介质和系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种绳驱机器人控制方法，其特征在于，包括：

对所述机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹；

计算所述期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵；

根据目标刚度选取刚度比例因子对所述刚度矩阵进行优化；

根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到所述机器人的电机角度。

2.根据权利要求1所述的一种绳驱机器人控制方法，其特征在于，所述对所述机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹，包括：

根据轨迹方向向量计算相邻两个空间点的距离，并根据所述距离确定轨迹节点数量；

根据所述节点数量确定每两个节点间所述锚点座的运动速度和加速度；

根据所述运动速度和所述加速度得到期望轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种绳驱机器人控制方法，其特征在于，所述计算所述期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵中所述刚度矩阵表示为：

其中，K表示刚度矩阵，E表示绳索的杨氏模量，A表示绳索的截面积，

分别表示绳索长度，x、y、z、α、β、γ分别表示所述机器人的末端姿态，所述末端姿态包括末端坐标和旋转角。

4.根据权利要求3所述的一种绳驱机器人控制方法，其特征在于，目标刚度与刚度比例因子的关系表示为：

k＝n₁·K₁₁+n₂·K₂₂+n₃·K₃₃+n₄·K₄₄+n₅·K₅₅+n₆·K₆₆

其中，k表示目标刚度，n₁，…，n₆分别表示刚度比例因子，所述刚度比例因子为所述末端姿态的各权重系数，K₁₁，…，K₆₆分别表示所述机器人末端的刚度值。

5.根据权利要求4所述的一种绳驱机器人控制方法，其特征在于，所述根据目标刚度选取刚度比例因子对所述刚度矩阵进行优化的优化算法表示为：

其中，θ表示控制所述锚点座的电机角度，k表示目标刚度，X表示所述机器人的末端姿态。

6.根据权利要求3所述的一种绳驱机器人控制方法，其特征在于，所述根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到所述机器人的电机角度，包括：

根据所述末端姿态和所述空间点的位置得到所述绳索长度；

根据绳索长度以及电机的绞盘半径得到所述电机角度。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种绳驱机器人控制方法，其特征在于，还包括对所述电机角度进行插补，以使所述机器人运动时更加平滑。

8.一种绳驱机器人控制系统，其特征在于，包括：

期望轨迹规划单元：用于对所述机器人的锚点座进行轨迹规划得到期望轨迹；

刚度矩阵计算单元：用于计算所述期望轨迹上每个空间点的刚度矩阵；

刚度矩阵优化单元：用于根据目标刚度选取刚度比例因子对所述刚度矩阵进行优化；

电机角度计算单元：用于根据优化结果得到绳索长度，并进行逆解得到所述机器人的电机角度。

9.一种绳驱机器人控制设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

其中，所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序，用于执行如权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至7任一项所述的方法。

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