CN114227685B - 机械臂控制方法、装置、计算机可读存储介质及机械臂 - Google Patents
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Abstract
本申请属于机械臂技术领域，尤其涉及一种机械臂控制方法、装置、计算机可读存储介质及机械臂。所述方法包括：对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿；获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差；根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度；对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度；按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。通过本申请，可以有效地对机械臂进行关节空间约束，避免出现关节抖振的现象。
Description
技术领域
本申请属于机械臂技术领域，尤其涉及一种机械臂控制方法、装置、计算机可读存储介质及机械臂。
背景技术
现有的六轴机械臂进行工作空间跟踪运动时，其关节空间的求解方法主要可以分为解析解法与数值解法。解析解法具有求解精度高，求解速度快的优势，但求解会产生确定的八组解，需要进行选解且会出现不满足关节空间的约束要求的情况。现有的数值解法目的在于实现工作空间的精确求解，但是仍没有侧重于对关节空间的约束，而且在通过奇异点区域时还极易出现关节抖振的现象。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种机械臂控制方法、装置、计算机可读存储介质及机械臂，以解决现有的机械臂控制方法缺乏关节空间约束，较易出现关节抖振的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种机械臂控制方法，可以包括：
对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿；
获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差；
根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度；所述二次规划的目标函数为：
其中，为所述机械臂的第i个关节轴的角速度，1≤i≤N，N为所述机械臂的关节轴数目，wpos,j为所述工作空间速度误差在第j个位置维度上的分量，1≤j≤3，wattitu,k为所述工作空间速度误差在第k个姿态维度上的分量，1≤k≤3，ωpos为预设的第一权重系数，ωattitu为预设的第二权重系数；
对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度；
按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。
在第一方面的一种具体实现方式中，所述根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度，可以包括：
根据所述工作空间位姿误差计算工作空间期望速度；
根据所述工作空间期望速度和所述关节空间约束参数构建所述二次规划的约束条件；
根据所述第一关节空间速度和工作空间速度误差构建所述二次规划的目标函数；
在所述约束条件下对所述目标函数进行二次规划求解，得到所述第一关节空间速度。
在第一方面的一种具体实现方式中，所述根据所述工作空间期望速度和所述关节空间约束参数构建所述二次规划的约束条件，可以包括：
构建如下式所示的约束条件：
其中，θi为所述机械臂的第i个关节轴的角度，为θi的预设的下限值，/>为θi的预设的上限值，/>为/>的预设的下限值，/>为/>的预设的上限值，min为求最小值函数，max为求最大值函数，T为预设的控制周期，J为预设的雅可比矩阵，/>为所述第一关节空间速度，ve为所述工作空间期望速度，w为所述工作空间速度误差。
在第一方面的一种具体实现方式中，所述对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度，可以包括：
根据所述机械臂的关节角度判断所述机械臂是否处于预设的奇异点区域中；
若所述机械臂处于所述奇异点区域中，则确定与所述奇异点区域对应的目标关节轴；
对所述第一关节空间速度中与所述目标关节轴对应的速度分量进行速度约束，得到所述第二关节空间速度。
在第一方面的一种具体实现方式中，所述奇异点区域包括腕关节奇异点区域、肘关节奇异点区域和肩关节奇异点区域；
所述确定与所述奇异点区域对应的目标关节轴，可以包括：
若所述机械臂处于所述腕关节奇异点区域中，则将所述机械臂的腕关节轴确定为所述目标关节轴；
若所述机械臂处于所述肘关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肘关节轴确定为所述目标关节轴；
若所述机械臂处于所述肩关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肩关节轴确定为所述目标关节轴。
在第一方面的一种具体实现方式中，所述获取所述机械臂的工作空间实际位姿，可以包括：
通过预设的关节位置传感器采集所述机械臂的关节角度；
根据所述关节角度进行正运动学求解，得到所述工作空间实际位姿。
本申请实施例的第二方面提供了一种机械臂控制装置，可以包括：
轨迹规划模块，用于对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿；
位姿误差计算模块，用于获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差；
关节空间速度求解模块，用于根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度；所述二次规划的目标函数为：
其中，为所述机械臂的第i个关节轴的角速度，1≤i≤N，N为所述机械臂的关节轴数目，wpos,j为所述工作空间速度误差在第j个位置维度上的分量，1≤j≤3，wattitu,k为所述工作空间速度误差在第k个姿态维度上的分量，1≤k≤3，ωpos为预设的第一权重系数，ωattitu为预设的第二权重系数；
奇异点约束模块，用于对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度；
运动控制模块，用于按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。
在第二方面的一种具体实现方式中，所述关节空间速度求解模块可以包括：
期望速度计算单元，用于根据所述工作空间位姿误差计算工作空间期望速度；
约束条件构建单元，用于根据所述工作空间期望速度和所述关节空间约束参数构建所述二次规划的约束条件；
目标函数构建单元，用于根据所述第一关节空间速度和工作空间速度误差构建所述二次规划的目标函数；
关节空间速度求解单元，用于在所述约束条件下对所述目标函数进行二次规划求解，得到所述第一关节空间速度。
在第二方面的一种具体实现方式中，所述约束条件构建单元可以具体用于构建如下式所示的约束条件：
其中，θi为所述机械臂的第i个关节轴的角度，为θi的预设的下限值，/>为θi的预设的上限值，/>为/>的预设的下限值，/>为/>的预设的上限值，min为求最小值函数，max为求最大值函数，T为预设的控制周期，J为预设的雅可比矩阵，/>为所述第一关节空间速度，ve为所述工作空间期望速度，w为所述工作空间速度误差。
在第二方面的一种具体实现方式中，所述奇异点约束模块可以包括：
奇异点区域判断单元，用于根据所述机械臂的关节角度判断所述机械臂是否处于预设的奇异点区域中；
目标关节轴确定单元，用于若所述机械臂处于所述奇异点区域中，则确定与所述奇异点区域对应的目标关节轴；
速度约束单元，用于对所述第一关节空间速度中与所述目标关节轴对应的速度分量进行速度约束，得到所述第二关节空间速度。
在第二方面的一种具体实现方式中，所述奇异点区域可以包括腕关节奇异点区域、肘关节奇异点区域和肩关节奇异点区域；
所述目标关节轴确定单元可以具体用于：若所述机械臂处于所述腕关节奇异点区域中，则将所述机械臂的腕关节轴确定为所述目标关节轴；若所述机械臂处于所述肘关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肘关节轴确定为所述目标关节轴；若所述机械臂处于所述肩关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肩关节轴确定为所述目标关节轴。
在第二方面的一种具体实现方式中，所述位姿误差计算模块可以包括：
关节角度采集单元，用于通过预设的关节位置传感器采集所述机械臂的关节角度；
正运动学求解单元，用于根据所述关节角度进行正运动学求解，得到所述工作空间实际位姿。
本申请实施例的第三方面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程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种机械臂控制方法的步骤。
本申请实施例的第四方面提供了一种机械臂，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一种机械臂控制方法的步骤。
本申请实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在机械臂上运行时，使得机械臂执行上述任一种机械臂控制方法的步骤。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本申请实施例对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿；获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差；根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度；对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度；按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。通过本申请实施例，可以有效地对机械臂进行关节空间约束，避免出现关节抖振的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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它的附图。
图1为本申请实施例中一种机械臂控制方法的一个实施例流程图；
图2为基于二次规划求解机械臂的第一关节空间速度的示意流程图；
图3为本申请实施例中一种机械臂控制装置的一个实施例结构图；
图4为本申请实施例中一种机械臂的示意框图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图1，本申请实施例中一种机械臂控制方法的一个实施例可以包括：
步骤S101、对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿。
在本申请实施例中，所述机械臂可以为N轴机械臂，即包括N个关节轴，具有N个自由度，N的具体取值可以根据实际情况进行设置。为了便于叙述，本申请实施例优选以六轴机械臂(即N＝6)为例进行说明，其它取值的情况与之类似，均可按照本申请实施例中的方法进行机械臂控制。
在本申请实施例中，可以根据实际情况选取现有技术中的任意一种轨迹规划方法，可以包括但不限于多项式轨迹规划、贝塞尔曲线轨迹规划等等，本申请实施例对此不作具体限定。为了便于区分，此处将轨迹规划得到的工作空间位姿记为工作空间期望位姿，可以用向量形式表示为：ηtarget＝[x1 y1 z1 rx1 ry1 rz1]，其中，x1、y1和z1分别为所述机器人的末端在所述笛卡尔坐标系下的三维坐标轴(X轴、Y轴及Z轴)对应的期望坐标值，rx1、ry1和rz1分别为所述机器人的末端在所述笛卡尔坐标系下的三维坐标轴(X轴、Y轴及Z轴)对应的期望角度值，ηtarget为所述工作空间期望位姿。
步骤S102、获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差。
在本申请实施例中，可以通过预设的关节位置传感器采集所述机械臂的关节角度，由于所述机械臂具有多个关节轴，所述关节角度为所述机械臂的各个关节轴的角度所组成的向量。
在已知所述关节角度的情况下，可以根据所述关节角度进行正运动学求解，从而得到与所述关节角度对应的工作空间位姿，为了便于区分，此处将正运动学求解得到的工作空间位姿记为工作空间实际位姿，可以用向量形式表示为：ηmes＝[x2 y2 z2 rx2 ry2rz2]，其中，x2、y2和z2分别为所述机器人的末端在所述笛卡尔坐标系下的三维坐标轴(X轴、Y轴及Z轴)对应的实际坐标值，rx2、ry2和rz2分别为所述机器人的末端在所述笛卡尔坐标系下的三维坐标轴(X轴、Y轴及Z轴)对应的实际角度值，ηmes为所述工作空间实际位姿。
在分别得到所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿之后，即可将所述工作空间期望位姿与所述工作空间实际位姿之间的差值作为所述机械臂的工作空间位姿误差。
步骤S103、根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划(Quadratic Programming，QP)求解所述机械臂的第一关节空间速度。
如图2所示，步骤S103具体可以包括如下过程：
步骤S1031、根据所述工作空间位姿误差计算工作空间期望速度。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，可以将所述工作空间位姿误差除以预设的控制周期，从而得到所述工作空间期望速度。
步骤S1032、根据所述工作空间期望速度和所述关节空间约束参数构建所述二次规划的约束条件。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，可以构建如下式所示的约束条件：
其中，i为所述机械臂的关节轴序号，1≤i≤N，θi为所述机械臂的第i个关节轴的角度，为θi的预设的下限值，/>为θi的预设的上限值，/>为所述机械臂的第i个关节轴的角速度，/>为/>的预设的下限值，/>为/>的预设的上限值，min为求最小值函数，max为求最大值函数，T为预设的控制周期，J为预设的雅可比矩阵，/>为所述第一关节空间速度，可以用向量形式表示为：/>ve为所述工作空间期望速度，w为所述工作空间速度误差，可以用向量形式表示为：w＝[wpos,1wpos,2wpos,3wattitu,1wattitu, 2wattitu,3]，其中，wpos,1、wpos,2和wpos,3分别为所述机器人的末端在所述笛卡尔坐标系下的三维坐标轴(X轴、Y轴及Z轴)对应的速度误差，wattitu,1、wattitu,2和wattitu,3分别为所述机器人的末端在所述笛卡尔坐标系下的三维坐标轴(X轴、Y轴及Z轴)对应的角速度误差。
步骤S1033、根据所述第一关节空间速度和工作空间速度误差构建所述二次规划的目标函数。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，可以构建如下式所示的目标函数：
其中，ωpos为预设的第一权重系数，ωattitu为预设的第二权重系数，所述第一权重系数和所述第二权重系数的具体取值均可以根据实际情况进行设置及调整，通过调整这两个权重系数可以求解出一个抖动不大的关节空间速度值，可有效减小机械臂超出工作空间或经过奇异域时，末端误差突变引起的关节抖振。
步骤S1034、在所述约束条件下对所述目标函数进行二次规划求解，得到所述第一关节空间速度。
在本申请实施例中，可以根据实际情况选取现有技术中的任意一种二次规划求解方法来求解得到所述第一关节空间速度，本申请实施例对此不作具体限定。
步骤S104、对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度。
具体地，可以根据所述机械臂的关节角度判断所述机械臂是否处于预设的奇异点区域中，若所述机械臂不处于所述奇异点区域中，则无需进行奇异点约束，此时，所述第二关节空间速度与所述第一关节空间速度是一致的。若所述机械臂处于所述奇异点区域中，则可以首先确定与所述奇异点区域对应的目标关节轴，然后对所述第一关节空间速度中与所述目标关节轴对应的速度分量进行速度约束，例如，可以约束该速度分量为0，从而得到速度约束后的关节空间速度，也即所述第二关节空间速度。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述奇异点区域可以包括但不限于腕关节奇异点区域、肘关节奇异点区域和肩关节奇异点区域。若所述机械臂处于所述腕关节奇异点区域中，则将所述机械臂的腕关节轴(即六轴)确定为所述目标关节轴；若所述机械臂处于所述肘关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肘关节轴(即三轴)确定为所述目标关节轴；若所述机械臂处于所述肩关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肩关节轴(即一轴)确定为所述目标关节轴。通过这样的方式，仅约束个别关节轴的速度分量，最大限度的减少对关节轴数量的约束，减少了自由度的损失，提高了通过奇异域的运行精度。
步骤S105、按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。
具体地，可以将所述第二关节空间速度输入至所述机械臂的关节控制器中，通过所述关节控制器按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。
综上所述，本申请实施例对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿；获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差；根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度；对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度；按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。通过本申请实施例，可以有效地对机械臂进行关节空间约束，避免出现关节抖振的现象。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的一种机械臂控制方法，图3示出了本申请实施例提供的一种机械臂控制装置的一个实施例结构图。
本实施例中，一种机械臂控制装置可以包括：
轨迹规划模块301，用于对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿；
位姿误差计算模块302，用于获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差；
关节空间速度求解模块303，用于根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度；
奇异点约束模块304，用于对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度；
运动控制模块305，用于按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述关节空间速度求解模块可以包括：
期望速度计算单元，用于根据所述工作空间位姿误差计算工作空间期望速度；
约束条件构建单元，用于根据所述工作空间期望速度和所述关节空间约束参数构建所述二次规划的约束条件；
目标函数构建单元，用于根据所述第一关节空间速度和工作空间速度误差构建所述二次规划的目标函数；
关节空间速度求解单元，用于在所述约束条件下对所述目标函数进行二次规划求解，得到所述第一关节空间速度。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述约束条件构建单元可以具体用于构建如下式所示的约束条件：
其中，i为所述机械臂的关节轴序号，1≤i≤N，N为所述机械臂的关节轴数目，θi为所述机械臂的第i个关节轴的角度，为θi的预设的下限值，/>为θi的预设的上限值，/>为所述机械臂的第i个关节轴的角速度，/>为/>的预设的下限值，/>为/>的预设的上限值，min为求最小值函数，max为求最大值函数，T为预设的控制周期，J为预设的雅可比矩阵，为所述第一关节空间速度，ve为所述工作空间期望速度，w为所述工作空间速度误差。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述目标函数构建单元可以具体用于构建如下式所示的目标函数：
其中，wpos,j为所述工作空间速度误差在第j个位置维度上的分量，1≤j≤3，wattitu,k为所述工作空间速度误差在第k个姿态维度上的分量，1≤k≤3，ωpos为预设的第一权重系数，ωattitu为预设的第二权重系数。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述奇异点约束模块可以包括：
奇异点区域判断单元，用于根据所述机械臂的关节角度判断所述机械臂是否处于预设的奇异点区域中；
目标关节轴确定单元，用于若所述机械臂处于所述奇异点区域中，则确定与所述奇异点区域对应的目标关节轴；
速度约束单元，用于对所述第一关节空间速度中与所述目标关节轴对应的速度分量进行速度约束，得到所述第二关节空间速度。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述奇异点区域可以包括腕关节奇异点区域、肘关节奇异点区域和肩关节奇异点区域；
所述目标关节轴确定单元可以具体用于：若所述机械臂处于所述腕关节奇异点区域中，则将所述机械臂的腕关节轴确定为所述目标关节轴；若所述机械臂处于所述肘关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肘关节轴确定为所述目标关节轴；若所述机械臂处于所述肩关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肩关节轴确定为所述目标关节轴。
在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述位姿误差计算模块可以包括：
关节角度采集单元，用于通过预设的关节位置传感器采集所述机械臂的关节角度；
正运动学求解单元，用于根据所述关节角度进行正运动学求解，得到所述工作空间实际位姿。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置，模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
图4示出了本申请实施例提供的一种机械臂的示意框图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。
如图4所示，该实施例的机械臂4包括：处理器40、存储器41以及存储在所述存储器41中并可在所述处理器40上运行的计算机程序42。所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述各个机械臂控制方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至步骤S105。或者，所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图3所示模块301至模块305的功能。
示例性的，所述计算机程序42可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器41中，并由所述处理器40执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序42在所述机械臂4中的执行过程。
本领域技术人员可以理解，图4仅仅是机械臂4的示例，并不构成对机械臂4的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述机械臂4还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器40可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、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。
所述存储器41可以是所述机械臂4的内部存储单元，例如机械臂4的硬盘或内存。所述存储器41也可以是所述机械臂4的外部存储设备，例如所述机械臂4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，所述存储器41还可以既包括所述机械臂4的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器41用于存储所述计算机程序以及所述机械臂4所需的其它程序和数据。所述存储器41还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块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。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/机械臂和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/机械臂实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，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讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，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，在本申请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。
所述集成的模块/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存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读存储介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种机械臂控制方法，其特征在于，包括：
对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿；
获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差；
根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度；所述二次规划的目标函数为：
其中，为所述机械臂的第i个关节轴的角速度，1≤i≤N，N为所述机械臂的关节轴数目，wpos,j为所述工作空间速度误差在第j个位置维度上的分量，1≤j≤3，wattitu,k为所述工作空间速度误差在第k个姿态维度上的分量，1≤k≤3，ωpos为预设的第一权重系数，ωattitu为预设的第二权重系数；
对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度；
按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。
2.根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度，包括：
根据所述工作空间位姿误差计算工作空间期望速度；
根据所述工作空间期望速度和所述关节空间约束参数构建所述二次规划的约束条件；
根据所述第一关节空间速度和工作空间速度误差构建所述二次规划的目标函数；
在所述约束条件下对所述目标函数进行二次规划求解，得到所述第一关节空间速度。
3.根据权利要求2所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述根据所述工作空间期望速度和所述关节空间约束参数构建所述二次规划的约束条件，包括：
构建如下式所示的约束条件：
其中，θi为所述机械臂的第i个关节轴的角度，为θi的预设的下限值，/>为θi的预设的上限值，/>为/>的预设的下限值，/>为/>的预设的上限值，min为求最小值函数，max为求最大值函数，T为预设的控制周期，J为预设的雅可比矩阵，/>为所述第一关节空间速度，ve为所述工作空间期望速度，w为所述工作空间速度误差。
4.根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度，包括：
根据所述机械臂的关节角度判断所述机械臂是否处于预设的奇异点区域中；
若所述机械臂处于所述奇异点区域中，则确定与所述奇异点区域对应的目标关节轴；
对所述第一关节空间速度中与所述目标关节轴对应的速度分量进行速度约束，得到所述第二关节空间速度。
5.根据权利要求4所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述奇异点区域包括腕关节奇异点区域、肘关节奇异点区域和肩关节奇异点区域；
所述确定与所述奇异点区域对应的目标关节轴，包括：
若所述机械臂处于所述腕关节奇异点区域中，则将所述机械臂的腕关节轴确定为所述目标关节轴；
若所述机械臂处于所述肘关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肘关节轴确定为所述目标关节轴；
若所述机械臂处于所述肩关节奇异点区域中，则将所述机械臂的肩关节轴确定为所述目标关节轴。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述获取所述机械臂的工作空间实际位姿，包括：
通过预设的关节位置传感器采集所述机械臂的关节角度；
根据所述关节角度进行正运动学求解，得到所述工作空间实际位姿。
7.一种机械臂控制装置，其特征在于，包括：
轨迹规划模块，用于对机械臂在预设的笛卡尔坐标系下进行工作空间轨迹规划，得到所述机械臂的工作空间期望位姿；
位姿误差计算模块，用于获取所述机械臂的工作空间实际位姿，并根据所述工作空间期望位姿和所述工作空间实际位姿计算所述机械臂的工作空间位姿误差；
关节空间速度求解模块，用于根据所述工作空间位姿误差和预设的关节空间约束参数，基于二次规划求解所述机械臂的第一关节空间速度；所述二次规划的目标函数为：
其中，为所述机械臂的第i个关节轴的角速度，1≤i≤N，N为所述机械臂的关节轴数目，wpos,j为所述工作空间速度误差在第j个位置维度上的分量，1≤j≤3，wattitu,k为所述工作空间速度误差在第k个姿态维度上的分量，1≤k≤3，ωpos为预设的第一权重系数，ωattitu为预设的第二权重系数；
奇异点约束模块，用于对所述第一关节空间速度进行奇异点约束，得到所述机械臂的第二关节空间速度；
运动控制模块，用于按照所述第二关节空间速度控制所述机械臂的关节进行运动。
8.一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程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的机械臂控制方法的步骤。
9.一种机械臂，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述的机械臂控制方法的步骤。
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