CN112894818B - 一种移动操作机器人的零空间运动分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动操作机器人的零空间运动分配方法，首先建立零空间控制力矩加权优化目标函数，协调考虑达到零空间期望力矩与实现零空间力矩分配的多目标优化关系；其次建立零空间控制力矩加权优化约束条件，避免优化后的零空间力矩干扰任务空间控制；最终建立零空间控制力矩的加权控制律，通过建立调整零空间权重矩阵，得到不同的零空间力矩分配结果。本发明除了能够实现移动底盘和机械臂不同比例的耦合运动分配外，还能够实现零空间加权优化控制力矩在移动底盘和机械臂的完全解耦分配，在零空间实现解耦的移动底盘和机械臂的运动控制。

Description

一种移动操作机器人的零空间运动分配方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及移动操作机器人的运动分配方法。

背景技术

移动操作机器人由机械臂和移动底盘组成，兼具移动和操作能力，是实现人机共融愿景的重要载体。一般来说，移动操作机器人的自由度要比任务空间要求的自由度多，移动操作机器人的冗余自由度既为机器人实现灵活运动提供了可能也给其控制技术带来了挑战。具有冗余自由度意味着不仅要在任务空间实施控制，同时需要在任务空间的零空间施加控制效果，通过零空间优化控制可以辅助机器人更好地执行任务空间的操作。由于机械臂自身的工作空间有限，在一些应用中，需要基于移动操作机器人整体建模技术，实现机械臂和移动底盘的耦合控制，通过移动底盘的耦合运动扩展机械臂的工作空间。而在另外一些机械臂自身工作空间能够满足的应用中，对运动精度和响应速度有较高要求，需要实现机械臂与移动底盘的解耦控制，以避免移动底盘低运动精度和低响应速度对机械臂执行操作任务的影响。因此，对于移动操作机器人，将机械臂和移动底盘的耦合和解耦控制在统一的控制框架下实现是一个需要解决的问题。目前基于整体建模的移动操作机器人控制技术，已经可以实现两者的耦合控制，而对于解耦控制，只能基于加权思想在任务空间实现两者运动的解耦，在零空间无法实现。

发明内容

为了克服上述现有技术不足，本发明提出一种移动操作机器人的零空间运动分配方法，在零空间实现解耦的移动底盘和机械臂的运动控制。

本发明通过以下技术方案予以实现：

移动操作机器人的零空间运动分配方法，包括以下步骤：

步骤1、建立零空间控制力矩加权优化目标函数；

步骤2、建立零空间控制力矩加权优化约束条件；

步骤3、建立零空间控制力矩的加权控制律；

步骤4、建立零空间权重矩阵，得到力矩分配结果。

进一步的，步骤1中，建立的零空间控制力矩加权优化目标函数为：

式中，τ_n为优化后的零空间控制力矩，τ₀为零空间期望力矩，

为移动操作机器人关节空间惯量矩阵,M_v为移动底盘惯量矩阵，M_r为机械臂惯量矩阵，W_n为零空间权重矩阵。

进一步的，步骤2中，建立的零空间控制力矩加权优化约束条件为：

式中，

为移动操作机器人整体雅克比矩阵，J_v为移动底盘雅克比矩阵，J_r为机械臂雅克比矩阵。

进一步的，步骤3中,建立的零空间控制力矩的加权控制律为：

式中，I_w＝I+W_nM^-1W_nM^-1，I为单位矩阵。

进一步的，步骤4中，建立的零空间权重矩阵为

式中，

为对角阵，S_v为移动底盘权重对应的对角阵，S_r为机械臂权重对应的对角阵。

当设置S_v＝I，S_r＝I时，力矩分配结果为

当设置S_v＝I，S_r＝+∞×I时，力矩分配结果为

当设置S_r＝I，S_v＝+∞×I时，力矩分配结果为

式中，

分别为移动底盘和机械臂对应的笛卡尔空间的惯量阵，

为移动操作机器人的整体笛卡尔惯量矩阵。

与现有技术相比，本发明能够实现在零空间加权优化控制力矩在移动底盘和机械臂的完全解耦分配，在零空间实现解耦的移动底盘和机械臂的运动控制。

附图说明

图1是本发明移动操作机器人零空间运动分配方法的移动操作机器人系统示意图；

图2是本发明移动操作机器人控制框架；

图3是本发明所述的移动操作机器人零空间运动完全分配给机械臂的实验结果。

图中：1-移动底盘；2-机械臂；3-计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

作为本发明的实施例，结合图1和图2所示，移动操作机器人系统，包括：移动底盘1、机械臂2、计算机3。机械臂2的基座与移动底盘1固联，组成移动操作机器人；计算机3分别与移动底盘1和机械臂2通过IP进行通信，发送指令。图2中左侧实线框中的基于权重分配的零空间运动分配方法，而右侧虚线框中的机械臂控制器和底盘速度控制器为底层控制器，在速度控制器基础上叠加导纳控制器接收零空间运动分配方法产生的力矩控制指令。

本实施例中，移动底盘1为全向移动平台，采用4个麦克纳姆驱动，能够实现平面内全向移动，具有独立的3个自由度；基于ROS系统开发，提供速度接口，自带底层速度控制器，实现对移动底盘在速度层的闭环控制；机械臂2为轻型7自由度协作机械臂。每个关节配备关节力矩传感器，可以获取各个关节的实际力矩；其工作空间在X-Y水平面内的投影的半径为0.855m，基于ROS系统开发，提供关节力矩接口，自带底层关节力矩控制器，实现对机械臂在关节力矩层的闭环控制。计算机3也工作在ROS环境下，负责基于权重矩阵的零空间运动分配方法计算运行，最终发布加权后的零空间控制力矩τ_n到机械臂和移动底盘。

一种移动操作机器人零空间运动分配方法，应用于上述的移动操作机器人(被控对象)，包括：

步骤1、建立本实施例中10自由移动操作机器人的零空间控制力矩加权优化目标函数；

式中，τ_n∈R¹⁰为优化后的零空间控制力矩，τ₀∈R¹⁰为零空间期望力矩，表达式为

为移动操作机器人关节空间惯量矩阵,M_v∈R^3×3为移动底盘惯量矩阵，M_r∈R^7×7为机械臂惯量矩阵，W_n∈R^10×10为零空间权重矩阵。

进一步的，步骤2中，建立的零空间控制力矩加权优化约束条件为：

式中，

J＝[J_v J_r]为移动操作机器人整体雅克比矩阵，J_v∈R^{6 ×3}为移动底盘雅克比矩阵，J_r∈R^6×7为机械臂雅克比矩阵。

进一步的，步骤3中,建立的零空间控制力矩的加权控制律为：

式中，I_w＝I+W_nM^-1W_nM^-1，I∈R^10×10为单位矩阵。

进一步的，步骤4中，建立的零空间权重矩阵为

式中，

为对角阵，S_v∈R^3×3为移动底盘权重对应的对角阵，S_r∈R^7×7为机械臂权重对应的对角阵。

当设置S_v＝I，S_r＝I时，移动底盘与机械臂的控制力矩

和

按照如下公式分配：

即移动操作机器人实现机械臂和移动底盘耦合的零空间运动；

当设置S_v＝I，S_r＝1000×I时，机械臂与移动底盘的控制力矩

和

按照如下公式分配：

移动操作机器人的运动完全分配给移动底盘，设置其为移动模式；

当设置S_r＝I，S_v＝1000×I时，机械臂与移动底盘的控制力矩

和

按照如下公式分配：

移动操作机器人的运动完全分配给机械臂，设置其为操作模式。

图3是本发明所述的移动操作机器人零空间运动完全分配给机械臂的实验果。实验中，选取k₀＝100，

I₃和I₇分别表示维数为3和7的单位矩阵，移动操作机器人初始惯量矩阵和雅克比矩阵为

Claims (3)

1.一种移动操作机器人的零空间运动分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立零空间控制力矩加权优化目标函数；

建立的零空间控制力矩加权优化目标函数为：

式中，τ_n为优化后的零空间控制力矩，τ₀为零空间期望力矩，

为移动操作机器人关节空间惯量矩阵,M_v为移动底盘惯量矩阵，M_r为机械臂惯量矩阵，W_n为零空间权重矩阵；

步骤2、建立零空间控制力矩加权优化约束条件；

步骤3、建立零空间控制力矩的加权控制律；

零空间控制力矩的加权控制律为：

式中，I_w＝I+W_nM^-1W_nM^-1，I为单位矩阵；

步骤4、建立零空间权重矩阵，得到力矩分配结果；

零空间权重矩阵为：

式中，

为对角阵，S_v为移动底盘权重对应的对角阵，S_r为机械臂权重对应的对角阵。

2.根据权利要求1所述的一种移动操作机器人的零空间运动分配方法，其特征在于，步骤2中，建立的零空间控制力矩加权优化约束条件为：

式中，

为移动操作机器人整体雅克比矩阵，J_v为移动底盘雅克比矩阵，J_r为机械臂雅克比矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种移动操作机器人的零空间运动分配方法，其特征在于，步骤4中，建立的零空间权重矩阵为：

式中，

为对角阵，S_v为移动底盘权重对应的对角阵，S_r为机械臂权重对应的对角阵；

当设置S_v＝I，S_r＝I时，力矩分配结果为

当设置S_v＝I，S_r＝+∞×I时，力矩分配结果为

当设置S_r＝I，S_v＝+∞×I时，力矩分配结果为

式中，

分别为移动底盘和机械臂对应的笛卡尔空间的惯量阵，

为移动操作机器人的整体笛卡尔惯量矩阵。

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