CN114193452A - 多关节布料臂架末端轨迹控制方法、系统及存储介质 - Google Patents

多关节布料臂架末端轨迹控制方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多关节布料臂架末端轨迹控制方法，包括：S1.由各个安装在所述布料臂架上的倾角传感器采集各个关节的角度值；S2.基于运动学模型，利用所述采集的各个关节的角度值计算所述布料臂架末端的实际位置；S3.计算所述布料臂架末端的实际位置与期望轨迹位置的偏差；S4.将所述计算的偏差转换成期望末端速度；S5.遍历所述布料臂架中两个关节的组合进行逆运动学求解，并对所有组合的解进行择优后，得到通过所述两个关节达到所述期望末端速度的速度方案；S6.利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节；S7.执行S1。

Description

多关节布料臂架末端轨迹控制方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，更具体地，涉及一种多关节布料臂架末端轨迹控制方法、系统及存储介质。
背景技术
目前用于混凝土施工中的多关节布料臂架基本采用逐关节控制方式，操作员通过控制相应关节来使臂架末端出料口移动到指定位置。然而臂架关节的角度变化与臂架末端位置的变化并不是线性相关的，某一关节角度的变化会引起臂架末端出料口做圆周运动。当要控制臂架末端出料口进行水平移动或者是垂直移动进行混凝土布料时，操作员只能凭借经验同时操作两个以上的关节来慢慢调整，对操作员的经验要求较高。混凝土施工中臂架末端作水平运动以及垂直运动的工况占据最大，依靠人工对臂架进行逐关节操作进而使臂架末端移动的方法对人员素质要求较高，且施工精度和施工效率很难提高，因此针对多关节布料臂架末端轨迹进行直接控制的方法显得极为必要。
发明内容
本发明的第一发明目的在于提供一种多关节布料臂架末端轨迹控制方法，该方法能够自动调节布料臂架各关节的角度，使布料臂架末端能够根据用户的操作指令作水平运动或者垂直运动，而无需人工对各关节进行控制。
本发明的第二发明目的在于提供一种应用上述多关节布料臂架末端轨迹控制方法的多关节布料臂架末端轨迹控制系统。
本发明的第三发明目的在于提供一种应用上述多关节布料臂架末端轨迹控制方法的存储介质。
为实现第一发明目的，采用的技术方案是：
一种多关节布料臂架末端轨迹控制方法，包括：
S1.由各个安装在所述布料臂架上的倾角传感器采集各个关节的角度值；
S2.基于运动学模型，利用所述采集的各个关节的角度值计算所述布料臂架末端的实际位置；
S3.计算所述布料臂架末端的实际位置与期望轨迹位置的偏差；
S4.将所述计算的偏差转换成期望末端速度；
S5.任意选择所述布料臂架中的两个关节进行逆运动学求解，得到通过所述两个关节达到所述期望末端速度的速度方案；
S6.利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节；
S7.执行S1。
优选地，所述布料臂架包括有6节臂及6个关节；6节臂包括第一节臂、第二节臂、第三节臂、第四节臂、第五节臂和第六节臂；6个关节包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节；
第一关节、第一节臂、第二关节、第二节臂、第三关节、第三节臂、第四关节、第四节臂、第五关节、第五节臂、第六关节、第六节臂依次连接。
优选地，所述各个安装在所述布料臂架上的倾角传感器采集各个关节的角度值包括采集的第一关节的角度值θ1、第二关节的角度值θ2、第三关节的角度值θ3、第四关节的角度值θ4、第五关节的角度值θ5、第六关节的角度值θ6。
优选地，所述S2基于运动学模型，利用所述采集的各个关节的角度值计算所述布料臂架末端的实际位置(xe，ye)包括：
xe＝L1cosθ1-L2 cos(θ1+θ2)+L3 cos(θ1+θ2+θ3)-L4 cos(θ1+θ2+θ3+θ4)+L5 cos(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5)-L6 cos(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5+θ6)；
ye＝L1sinθ1-L2 sin(θ1+θ2)+L3 sin(θ1+θ2+θ3)-L4 sin(θ1+θ2+θ3+θ4)+L5 sin(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5)-L6 sin(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5+θ6)；
其中，L1、L2、L3、L4、L5、L6分别表示第一节臂、第二节臂、第三节臂、第四节臂、第五节臂和第六节臂的长度。
优选地，所述S5任意选择所述多关节布料臂架中的两个关节进行逆运动学求解，得到通过所述两个关节达到所述期望末端速度的速度方案，包括：
Figure BDA0003441596990000021
Figure BDA0003441596990000022
其中，m、n的取值范围为1～6，且m不等于n；
Figure BDA0003441596990000023
表示期望末端速度在x轴方向上的分量；
Figure BDA0003441596990000024
表示期望末端速度在y轴方向上的分量；
Figure BDA0003441596990000025
表示第m关节的速度，
Figure BDA0003441596990000026
表示第n关节的速度。
优选地，所述S5执行多次，得到6个关节中任意两个关节的速度方案；然后选取所述得到的多组速度方案中最小的速度方案驱动对应的两个关节。
优选地，所述S6利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节的过程中，判断所述布料臂架末端与期望轨迹位置之间的偏差是否大于设定的阈值；若是，则设置使偏离轨迹更严重的关节的速度为0；若否，则继续利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节。
优选地，所述设定的阈值为0.1米。
为实现第二发明目的，采用的技术方案是：
一种多关节布料臂架末端轨迹控制系统，包括处理器及存储器，所述存储器内存储有程序，所述程序被所述处理器调用时，处理器执行上述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法。
为实现第三发明目的，采用的技术方案是：
一种存储介质，其内部存储有程序，所述程序运行时执行上述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的多关节布料臂架末端轨迹控制方法通过倾角传感器采集各个关节的角度值，然后基于运动学模型，利用所述采集的各个关节的角度值计算所述布料臂架末端的实际位置；计算所述布料臂架末端的实际位置与期望轨迹位置的偏差；将所述计算的偏差转换成期望末端速度；任意选择所述布料臂架中的两个关节进行逆运动学求解，得到通过所述两个关节达到所述期望末端速度的速度方案；利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节。应用本发明提供的方法能够自动调节布料臂架各关节的角度，使布料臂架末端能够根据用户的操作指令作水平运动或者垂直运动，而无需人工对各关节进行控制。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为多关节布料臂架的结构示意图。
图2为多关节布料臂架末端轨迹控制方法原理示意图。
图3为多关节布料臂架末端轨迹控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，图1为多关节布料臂架的结构示意图。其具体包括6节臂及6个关节；6节臂包括第一节臂、第二节臂、第三节臂、第四节臂、第五节臂和第六节臂；6个关节包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节；
第一关节、第一节臂、第二关节、第二节臂、第三关节、第三节臂、第四关节、第四节臂、第五关节、第五节臂、第六关节、第六节臂依次连接。
如1所示，节臂的长度用Ln(n＝1～6)表示，关节角度用θn表示，每个关节由液压缸驱动进行旋转运动。臂架末端可在X-O-Y平面内运动，关节角度θn由安装在各节臂上的倾角传感器测得。
本实施例提供的多关节布料臂架末端轨迹控制方法，包括：
S1.由各个安装在所述布料臂架上的倾角传感器采集各个关节的角度值；
S2.基于运动学模型，利用所述采集的各个关节的角度值计算所述布料臂架末端的实际位置；
S3.计算所述布料臂架末端的实际位置与期望轨迹位置的偏差；
S4.将所述计算的偏差转换成期望末端速度；
S5.任意选择所述布料臂架中的两个关节进行逆运动学求解，得到通过所述两个关节达到所述期望末端速度的速度方案；遍历所述布料臂架中两个关节的组合进行逆运动学求解，并对所有组合的解进行择优后，得到通过所述两个关节达到所述期望末端速度的速度方案；
S6.利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节；
S7.执行S1。
在具体的实施过程中，所述S2具体为：
根据结构特征，可列出臂架末端位置(xe，ye)与臂架各关节角度和长度之间的位置运动学关系如下：
xe＝L1cosθ1-L2 cos(θ1+θ2)+L3 cos(θ1+θ2+θ3)-L4 cos(θ1+θ2+θ3+θ4)+L5 cos(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5)-L6 cos(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5+θ6)；
ye＝L1sinθ1-L2 sin(θ1+θ2)+L3 sin(θ1+θ2+θ3)-L4 sin(θ1+θ2+θ3+θ4)+L5 sin(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5)-L6 sin(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5+θ6)；
在具体的实施过程中，所述S5具体为：
末端位置(xe，ye)依次对各关节求导，得到末端速度
Figure BDA00034415969900000510
与各关节速度
Figure BDA00034415969900000511
之间的速度运动学关系如下：
Figure BDA0003441596990000051
其中：
Figure BDA0003441596990000052
Figure BDA0003441596990000053
Figure BDA0003441596990000054
Figure BDA0003441596990000055
Figure BDA0003441596990000056
Figure BDA0003441596990000057
Figure BDA0003441596990000058
Figure BDA0003441596990000059
Figure BDA0003441596990000061
Figure BDA0003441596990000062
Figure BDA0003441596990000063
Figure BDA0003441596990000064
Figure BDA0003441596990000065
Figure BDA0003441596990000066
Figure BDA0003441596990000067
Figure BDA0003441596990000068
运动学模型描述的是从关节速度到末端速度的映射关系，而末端轨迹控制则是指定了末端的速度大小和方向，反推关节速度，要实现这个过程需要对运动学模型求解，逆运动学方程由运动学方程得到，如下：
Figure BDA0003441596990000069
由于末端速度只有X、Y两个方向的自由度，因此可以通过两两关节进行组合来使末端运动到期望位置，所以逆运动学方程可以进一步简化为二维矩阵的形式：
Figure BDA00034415969900000610
当选择以第1和第2关节组合运动时，
Figure BDA00034415969900000611
则有
Figure BDA00034415969900000612
即对于给定的期望末端速度
Figure BDA00034415969900000613
求得第1和第2关节的速度如下：
Figure BDA0003441596990000071
Figure BDA0003441596990000072
六关节臂架的逆运动学方程是冗余方程，解不唯一，需要从中选出一个最优解。本发明中逆运动解的择优原则是选择可以让末端沿期望方向运动最快，即在给定的末端速度条件下，选择关节速度最小的解。
图2为多关节布料臂架末端轨迹控制方法原理示意图，其中xd为期望的末端位置，x为实际的末端位置，两者做差后转换为期望的末端速度x’d，x’d与逆运动学求解矩阵J-1相乘后得到期望的关节组合及速度，在对所产生的解进行择优后，将计算出来的速度控制量输出到对应关节控制器，驱动关节运动。
图3为多关节布料臂架末端轨迹控制方法的流程示意图，首先从安装在臂架上的角度传感器获取每个关节的当前角度，根据运动学模型结合当前角度信息计算出当前末端位置，接着计算出当前末端位置与期望轨迹位置之间的偏差，基于位置偏差更新末端期望末端速度。再基于更新后的速度，遍历两两关节组合计算出逆运动学的解，并从所有解中选出最小值作为最优解。判断当前轨迹误差是否超过0.1m，如果超过，则设置使偏离轨迹更严重的关节速度为0，如果轨迹误差在0.1m范围内，则对最优解的关节速度不做任何处理，最后将速度指令传递给对应关节的控制器，并等待下一个控制周期的到来。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，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。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。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。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种多关节布料臂架末端轨迹控制方法，其特征在于：包括：
S1.由各个安装在所述布料臂架上的倾角传感器采集各个关节的角度值；
S2.基于运动学模型，利用所述采集的各个关节的角度值计算所述布料臂架末端的实际位置；
S3.计算所述布料臂架末端的实际位置与期望轨迹位置的偏差；
S4.将所述计算的偏差转换成期望末端速度；
S5.任意选择所述布料臂架中的两个关节进行逆运动学求解，得到通过所述两个关节达到所述期望末端速度的速度方案；
S6.利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节；
S7.执行S1。
2.根据权利要求1所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法，其特征在于：所述布料臂架包括有6节臂及6个关节；6节臂包括第一节臂、第二节臂、第三节臂、第四节臂、第五节臂和第六节臂；6个关节包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节；
第一关节、第一节臂、第二关节、第二节臂、第三关节、第三节臂、第四关节、第四节臂、第五关节、第五节臂、第六关节、第六节臂依次连接。
3.根据权利要求2所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法，其特征在于：所述各个安装在所述布料臂架上的倾角传感器采集各个关节的角度值包括采集的第一关节的角度值θ1、第二关节的角度值θ2、第三关节的角度值θ3、第四关节的角度值θ4、第五关节的角度值θ5、第六关节的角度值θ6。
4.根据权利要求3所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法，其特征在于：
所述S2基于运动学模型，利用所述采集的各个关节的角度值计算所述布料臂架末端的实际位置(xe，ye)包括：
xe＝L1cosθ1-L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3)-L4cos(θ1+θ2+θ3+θ4)+L5cos(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5)-L6cos(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5+θ6)；
ye＝L1sinθ1-L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3)-L4sin(θ1+θ2+θ3+θ4)+L5sin(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5)-L6sin(θ1+θ2+θ3+θ4+θ5+θ6)；
其中，L1、L2、L3、L4、L5、L6分别表示第一节臂、第二节臂、第三节臂、第四节臂、第五节臂和第六节臂的长度。
5.根据权利要求4所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法，其特征在于：所述S5任意选择所述多关节布料臂架中的两个关节进行逆运动学求解，得到通过所述两个关节达到所述期望末端速度的速度方案，包括：
Figure FDA0003441596980000021
Figure FDA0003441596980000022
其中，m、n的取值范围为1～6，且m不等于n；
Figure FDA0003441596980000023
表示期望末端速度在x轴方向上的分量；
Figure FDA0003441596980000024
表示期望末端速度在y轴方向上的分量；
Figure FDA0003441596980000025
表示第m关节的速度，
Figure FDA0003441596980000026
表示第n关节的速度。
6.根据权利要求5所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法，其特征在于：所述S5执行多次，得到6个关节中任意两个关节的速度方案；然后选取所述得到的多组速度方案中最小的速度方案驱动对应的两个关节。
7.根据权利要求5所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法，其特征在于：所述S6利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节的过程中，判断所述布料臂架末端与期望轨迹位置之间的偏差是否大于设定的阈值；若是，则设置使偏离轨迹更严重的关节的速度为0；若否，则继续利用所述得到的速度方案驱动所述两个关节。
8.根据权利要求7所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法，其特征在于：所述设定的阈值为0.1米。
9.一种多关节布料臂架末端轨迹控制系统，其特征在于：包括处理器及存储器，所述存储器内存储有程序，所述程序被所述处理器调用时，处理器执行权利要求1-8任一项所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法。
10.一种存储介质，其内部存储有程序，其特征在于：所述程序运行时执行权利要求1-8任一项所述的多关节布料臂架末端轨迹控制方法。
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