CN112008731B - 一种空中作业机器人的柔顺控制方法、装置、终端、系统及可读存储介质 - Google Patents
一种空中作业机器人的柔顺控制方法、装置、终端、系统及可读存储介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种空中作业机器人的柔顺控制方法、装置、终端、系统及可读存储介质，应用于接触模态下时，所述方法包括：S1:获取空中作业机器人上末端执行器的目标位姿以及当前位姿；S2:基于步骤S1获取的目标位姿以及当前位姿计算出控制率，S3:基于控制率控制所述空中作业机器人的空间运动。本发明提出的柔顺控制方法所得到的控制率可以不依赖于六维力/力矩传感器，克服了现有控制率所存在的缺陷，控制率设计中消除了变量fext，使机器人能够达到能够自适应外部接触力/力矩的效果，进而保障了无人空中作业机器人在接触模态下能够安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于空中作业机器人控制技术领域，具体涉及在接触模态下一种空中作业机器人的柔顺控制方法、装置、终端、系统及可读存储介质。
背景技术
随着微机电系统技术和高功率密度动力系统技术的快速发展，无人机特别是旋翼无人机在过去二十年里取得了重大突破和较大应用进展，如航空摄影、地图创建与测量、自然灾害救援和战场监控等。但是单纯的无人机也有其限制和局限，如无人机搭载相关测量设备只能作为一种被动的信息观测型机器人无主动作业能力，而无人空中作业机器人由无人机飞行平台和主动作业机构组成，具有对环境进行主动作业的能力，大大的扩展了无人机的局限性。空中机器人作为一类特殊的移动机器人，其关键核心技术研究对促进我国民用无人机快速发展和国防装备信息化、智能化提升具有重要意义。目前，空中作业机器人主要在被动型信息观测机器人得到广泛应用，但是这极大限制了其应用场景，而在信息观测型空中机器人的基础上加入主动执行机构(如机械臂、灵巧手等)得到空中作业机器人能够集感知观测与主动作业于一体，是当前空中机器人发展和研究的必然趋势，其研究不仅对推动移动作业型机器人系统理论的完善具有重要的借鉴意义，且在国家重大能源工程设施的维护作业中具有广泛的应用前景。
空中作业机器人在作业过程中有时需要接触零件、工具或工作表面，然而工作环境的几何特征(位置、方向)是变化的、具有不确定性，因此在接触外界环境时可能会给机器人带来较大的冲击力，而不能实现安全稳定的作业过程。并且对于无人空中作业机器人来说，由于负载限制等相关因素的影响，一般很难在机械手末端加载六维力/力矩传感器，而目前设计的控制率中存在与环境作用产生的反作用力和力矩变量，使得控制率需要考虑六维力/力矩传感器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中控制率中需要考虑六维力/力矩传感器，而机械手末端却难以加载六维力/力矩传感器的问题，本发明提供一种空中作业机器人的柔顺控制方法，装置、终端、系统以及可读存储介质，通过本发明提出的柔顺控制方法所得到的控制率可以不依赖于六维力/力矩传感器。
一方面，本发明提供一种空中作业机器人的柔顺控制方法，包括如下步骤：
S1:获取空中作业机器人上末端执行器的目标位姿以及当前位姿；
S2:基于步骤S1获取的目标位姿以及当前位姿计算出控制率，所述控制率公式如下：
式中，τ表示控制率，
表示重力项矢量，μ为系统总势能，n为机械臂关节数，
表示运动学雅可比矩阵Jt(q)的转置，q表示当前关节空间位置向量，
和
表示阻尼参数和刚性参数，
xt，
分为任务空间末端执行器的目标位姿，当前位姿和当前位姿速度，当前位姿速度
通过对位姿求导得到；
S3:基于控制率控制所述空中作业机器人的空间运动。
本发明提供的所述控制率计算公式无需涉及于环境作用产生的反作用力和力矩变量fext，因此，可以避免六维力/力矩传感器的使用。其中，控制率设计中消除了变量fext，使机器人能够达到能够自适应外部接触力/力矩的效果，接触过程中如果没有本发明所述柔顺过程，会对无人机飞行平台会有很大干扰，容易造成坠机。
优选地，所述控制率的公式是基于系统闭环方程设计满足：
其中，Mx(q)为与关节空间变量q相关的机器人笛卡尔空间系统惯性矩阵，Mm为系统闭环的惯性参数，M(q)为一个对称的正定惯性矩阵，
分别表示任务空间中末端执行器的当前位姿加速度变量、目标位姿加速度变量，目标位姿速度，fext为末端工具在接触模态下受环境的反作用力和力矩，
为科里奥利矩阵
在笛卡尔坐标系下的表达。
优选地，步骤S3是基于步骤S1实时获取的末端执行器的目标位姿以及当前位姿进行实时控制。
优选地，步骤S3中的执行过程如下：
基于控制率进行飞行平台力矩转换计算；
再根据飞行平台力矩转控制所述空中作业机器人的空间运动。
第二方面，本发明提供一种基于所述柔顺控制方法的控制装置，包括：
柔顺控制式获取模块：用于获取控制率公式；
位姿获取模块：用于获取空中作业机器人上末端执行器的目标位姿以及当前位姿；
控制率获取模块：用于基于获取的目标位姿以及当前位姿计算出控制率；
控制模块：用于基于控制率控制所述空中作业机器人的空间运动。
第三方面，本发明提供一种控制终端，包括存储器和控制器，所述存储器存储了计算机程序，所述控制器用于调用所述计算机程序以执行：柔顺控制方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种控制系统，包括作业机器人以及与所述作业机器人动力模块连接的控制模块，所述控制模块为所述的柔顺控制装置或所述的柔顺控制终端。
第五方面，本发明提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行：述柔顺控制方法的步骤。
有益效果
1、一种空中作业机器人的柔顺控制方法是基于阻抗设计得到的控制率，设计出的控制率不依赖于六维力/力矩传感器，进而能够避免由于环境的几何特征(位置、方向)不确定而产生较大的冲击力，设计的控制率是消除了与环境作用产生的反作用力和力矩变量fext，使机器人能够达到能够自适应外部接触力/力矩的效果，进而保障了无人空中作业机器人在接触模态下能够安全稳定运行。
2、本发明提出基于阻抗设计的柔顺控制方法得到的控制率，其能够在无接触且雅可比矩阵满秩的情况下渐进收敛到
从而可以保证系统对目标向量
的渐进稳定性。
附图说明
图1是本发明所述接触模态下柔顺控制方法的流程示意图。
图2是空中作业机器人接触模态下动力学模型示意图。
具体实施方式
本发明提供的一种空中作业机器人的柔顺控制方法所得到的控制率可以不依赖于六维力/力矩传感器，使空中作业机器人在柔顺控制下能够自适应外部接触力/力矩，从而保证机器人在刚性接触模态下进行安全作业。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步的详细说明。显然，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：为了能够实现柔顺控制方法，本发明需要构建出柔顺控制式。
其中，先将系统看成一个整体，建立空中作业机器人接触模态下的动力学模型。
表示世界坐标系(笛卡尔坐标系)，且zI竖直向上为重力的反方向。
表示飞行平台的机体坐标系，其坐标原点优选在飞行平台的几何中心，且zV方向为上，
为工具坐标系，即末端执行器所在坐标系。
基于上述动力学模型，本实施例提供的柔顺控制式的构建原理如下：
①将空中作业机器人的关节空间动力学模型转换到笛卡尔空间坐标系下得到：
式中，存在：
式中，xt、
分为末端执行器的当前位姿、当前位姿速度、当前位姿加速度变量，q，
分别为当前关节空间的位置向量、速度向量以及加速度向量，
为科里奥利矩阵，
为实数域；
为一个对称的正定惯性矩阵，τ为控制率，
表示运动学雅可比矩阵Jt(q)的转置，T为矩阵的装置符号，fext为末端工具在接触模态下受环境的反作用力和力矩，
表示重力项矢量，μ为系统总势能，n为机械手关节数；
为雅可比矩阵的导数，该与变量
都相关。
对于笛卡尔空间中无人空中作业机器人接触模态下动力学方程，采用反馈线性化来设计其控制率，即有：
其中，
表示为系统设计的动态性能变量，将上式(2)代入到笛卡尔空间坐标系下动力学方程式(1)中，可得到系统闭环方程为：
在此系统闭环方程中，通过设计动态性能变量a使系统具有不同的响应特性。考虑系统闭环方程为一个动态阻抗模型，即有：
将a代入到基于反馈线性化设计的控制率公式(2)可求得设计的控制率，其通过参数Mm、Dm和Km来设计系统阻抗以实现作业的柔顺。
②将控制率转换至关节空间得到：
其中，
表示雅可比矩阵的逆矩阵，
表示雅可比矩阵的导数，
和
分别表示无人空中作业机器人期望的末端位姿、位姿速度和位姿加速度变量，在实际中根据不同应用场景
和
都为零，
为测量接触力的加权矩阵。
对于无人空中作业机器人来说，由于负载限制等相关因素的影响，一般很难在机械手末端加载六维力/力矩传感器，而在控制率公式(5)中存在与环境作用产生的反作用力和力矩变量fext，所以在实际中很难应用。为此，本发明通过设计阻抗参数Mm、Dm、Km得到不依赖于fext的控制率，从而避免了六维力/力矩传感器的使用。
其中，将惯性参数Mm等于与一个关节空间变量q相关的笛卡尔空间系统惯性矩阵Mx(q)，即选择系统闭环的期望惯性与机器人在笛卡尔空间中的惯性相等：
又考虑在实际系统中阻尼参数Dm应与关节空间变量相关，将其设为非恒定的量，刚性参数Km设为恒定值，故得到设计的系统闭环方程为非线性阻抗模型：
③根据非线性阻抗模型重新计算控制率可得：
由上式可以看出控制率中没有包含接触力/力矩反馈变量fext，所以不需要六维力/力矩传感器。
④对于无人空中作业机器人而言，在接触模态下的作业任务一般为固定抓取或作业，所以末端执行器的目标值
为固定值，
联立控制率公式(8)，得到新的控制率如下：
且基于公式(9)的控制率，依据Lyapunov稳定性原理可知，依据上述控制率进行控制可以保证系统对目标位姿
的渐进稳定性。
应当理解，本发明基于阻抗设计确定阻抗参数Mm、Dm、Km，从而得到不依赖于fext的控制率的基础上，优选，如果空间中的接触模态是可预见的，则选择较大的Mm和较小的Dm，而如果是在空间中自由运动则选择较小的Mm和较大的Dm以使得末端能够更好的跟踪目标轨迹，参数Dm而言，其主要作用是调节系统瞬态性能。其中，数值的大小是根据机构进行调整。基于上述构建的柔顺控制式，本实施例中实现空中作业机器人的柔顺控制过程如下：
S1:获取空中作业机器人上末端执行器的目标位姿以及当前位姿。其中，根据关节空间变量q，并通过机器人运动学解算式计算出当前任务空间位姿xt。位姿用于表示当前末端执行器的位置、姿态，关节空间变量为关节角度，目标位姿是通过机载视觉传感器检测得到。
S2:基于步骤S1获取的目标位姿以及当前位姿计算出控制率。
S3:基于控制率控制所述空中作业机器人的空间运动，由于根据控制率控制空中作业机器人的运动过程为现有技术，因此，不再进行赘述。
在一些具体实例中，本发明还提供一种柔顺控制系统，包括：连接通信的柔顺控制式获取模块，位姿获取模块，控制率获取模块以及控制模块，其中，柔顺控制式获取模块：用于获取柔顺控制式(控制率计算公式)；位姿获取模块：用于获取空中作业机器人上末端执行器的目标位姿以及当前位姿；控制率获取模块：用于基于获取的目标位姿以及当前位姿计算出控制率；控制模块：用于基于控制率控制所述空中作业机器人的空间运动。
具体各个模块的实现过程请参照上述柔顺控制方法的内容，在此不再赘述。应该理解到，上述功能模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
在一些具体的实例中，本发明还提供一种控制终端，包括存储器和控制器，所述存储器存储了计算机程序，所述控制器用于调用所述计算机程序以执行：上述柔顺控制方法的步骤。
在一些具体的实例中，本发明还提供一种控制系统，包括作业机器人以及与所述作业机器人动力模块连接的控制模块，所述控制模块为控制终端或控制装置。其中，控制模块用于基于所述柔顺控制方法控制动力模块运作以控制作业机器人。
在一些具体的实例中，本发明还提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行：上述柔顺控制方法的步骤。
应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种空中作业机器人的柔顺控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1:获取空中作业机器人上末端执行器的目标位姿以及当前位姿；
S2:基于步骤S1获取的目标位姿以及当前位姿计算出控制率，所述控制率公式如下：
式中，τ表示控制率，
G(q)表示重力项矢量，μ为系统总势能，
表示运动学雅可比矩阵Jt(q)的转置，q表示当前关节空间位置向量，Dm和Km分别 表示阻尼参数和刚性参数，
xt，
分别 为任务空间中末端执行器的目标位姿，当前位姿和当前位姿速度；
S3:基于控制率控制所述空中作业机器人的空间运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述控制率的公式是基于系统闭环方程设计满足：
其中，Mx(q)为与关节空间变量q相关的机器人笛卡尔空间系统惯性矩阵，Mm为系统闭环的惯性参数，M(q)为一个对称的正定惯性矩阵，
分别表示任务空间中末端执行器的当前位姿加速度变量、目标位姿加速度变量，目标位姿速度，fext为末端工具在接触模态下受环境的反作用力和力矩，
为科里奥利矩阵
在笛卡尔坐标系下的表达。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3是基于步骤S1实时获取的末端执行器的目标位姿以及当前位姿进行实时控制。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中的执行过程如下：
基于控制率进行飞行平台力矩转换计算；
再根据飞行平台力矩转控制所述空中作业机器人的空间运动。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述方法的控制装置，其特征在于：包括：
柔顺控制式获取模块：用于获取控制率公式；
位姿获取模块：用于获取空中作业机器人上末端执行器的目标位姿以及当前位姿；
控制率获取模块：用于基于获取的目标位姿以及当前位姿计算出控制率；
控制模块：用于基于控制率控制所述空中作业机器人的空间运动。
6.一种控制终端，其特征在于：包括存储器和控制器，所述存储器存储了计算机程序，所述控制器用于调用所述计算机程序以执行：权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
7.一种控制系统，其特征在于：包括作业机器人以及与所述作业机器人动力模块连接的控制模块，所述控制模块为权利要求5所述的控制装置或权利要求6所述的控制终端。
8.一种可读存储介质，其特征在于：存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行：权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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