CN115107032A - 一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法 - Google Patents

一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115107032A
CN115107032A CN202210833987.XA CN202210833987A CN115107032A CN 115107032 A CN115107032 A CN 115107032A CN 202210833987 A CN202210833987 A CN 202210833987A CN 115107032 A CN115107032 A CN 115107032A
Authority
CN
China
Prior art keywords
noise
mechanical arm
mobile
pseudo
inverse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210833987.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN115107032B (zh
Inventor
郭东生
张卫东
王世全
衣博文
李晓航
原良晓
张彦群
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hainan University
Original Assignee
Hainan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hainan University filed Critical Hainan University
Priority to CN202210833987.XA priority Critical patent/CN115107032B/zh
Publication of CN115107032A publication Critical patent/CN115107032A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115107032B publication Critical patent/CN115107032B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1651—Programme controls characterised by the control loop acceleration, rate control

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本发明涉及机械臂领域，具体涉及一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法，包括如下步骤：根据Denavit‑Hartenberg参数法进行建模，并考虑谐波噪声的干扰，建立噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程；采用内模原理，构造可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统；融合该动态系统，并引入移动机械臂末端位置误差积分信息的反馈，设计基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案。本发明基于内模原理而设计的运动规划方案，仅凭谐波噪声的频率便可进行自适应计算，并自动补偿谐波噪声的干扰，从而使得移动机械臂在噪声环境下仍能成功地完成给定的规划任务。这对于复杂环境下移动机械臂运动规划的理论研究和应用实践均有着重要的意义和价值。

Description

一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法
技术领域
本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法。
背景技术
移动机械臂是由一个可移动的平台以及安装在移动平台上的一个或多个机械臂组成；它因兼具可移动性和可操作性而受到了广泛的关注。区别于单独的移动平台和单独的机械臂，移动平台和机械臂的组合产生了一个研究问题：如何对移动机械臂的运动进行有效的规划(即，同时实现移动平台和机械臂的运动规划)，使其能更有效率地去完成给定的任务。针对这个问题，许多学者进行了探索，并提出了多种有效的运动规划方案。然而，这些方案大部分是在不考虑噪声干扰的情况下进行设计的；如果存在噪声的干扰，那么它们将会失效，移动机械臂也就无法成功地完成给定的任务。在移动机械臂的实际应用中，噪声(尤其是谐波噪声)是实际应用中不可忽视的一个因素；并且，许多不同类型的噪声也可以通过傅里叶变换转化为谐波噪声。因此，考虑并补偿谐波噪声的干扰对于移动机械臂的运动规划研究就显得非常有必要和极具实际价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有方法的不足以及展示未来自适应抗噪方法的潜在设计，提供一种结构简单、容易实现、且能够自动补偿谐波噪声干扰的移动机械臂运动规划方法。
基于上述目的，本发明提供了一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法，包括如下步骤：
S1：根据Denavit-Hartenberg参数法进行建模，并考虑谐波噪声的干扰，建立噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程；所述噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程如下：
Figure BDA0003749413770000021
其中，
Figure BDA0003749413770000022
表示移动机械臂的联合速度且定义为
Figure BDA0003749413770000023
Figure BDA0003749413770000024
表示移动平台的驱动轮的旋转角速度，
Figure BDA0003749413770000025
表示移动机械臂的关节速度；J表示移动机械臂的雅克比矩阵；
Figure BDA0003749413770000029
表示移动机械臂末端的期望速度；γ表示误差反馈系数；e表示移动机械臂末端的位置误差且定义为
Figure BDA0003749413770000026
p表示移动机械臂末端的期望位置，
Figure BDA0003749413770000027
表示非线性映射函数，
Figure BDA00037494137700000211
表示移动机械臂的联合位置且定义为
Figure BDA00037494137700000212
pxy和φ分别表示移动平台在XY平面上的位置和朝向角，θ表示移动机械臂的关节角度；δ表示移动机械臂在执行规划任务过程中遇到的谐波噪声；
S2：采用内模原理，构造可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统；所述可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统如下：
Figure BDA0003749413770000028
其中，y表示用于自动补偿谐波噪声干扰的信号，z表示y的时间导数且定义为
Figure BDA00037494137700000210
表示z的时间导数；f表示谐波噪声δ的频率。
S3：在所述噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程的基础上融合所述可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统，并引入移动机械臂末端位置误差积分信息的反馈，设计基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案；所述基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案如下：
Figure BDA0003749413770000031
其中，J+表示雅克比矩阵J的伪逆矩阵，x表示移动机械臂末端位置误差e的积分信息，
Figure BDA0003749413770000032
表示x的时间导数，η表示误差积分反馈系数。
进一步的，所述移动机械臂的下位机控制器根据所述基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案的计算结果驱动移动平台和移动机械臂来完成给定的规划任务。
本发明的有益效果：采用本发明的一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法，它能够仅凭谐波噪声的频率便可进行自适应计算，并自动补偿谐波噪声的干扰，从而使得移动机械臂在存在谐波噪声干扰的情况下成功地完成给定的规划任务。这对于复杂环境下移动机械臂运动规划的理论研究和应用实践均有着重要的意义和价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，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。
图1为本发明实施例的流程示意图。
其中，1、噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程；2、构造可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统；3、引入移动机械臂末端位置误差积分信息的反馈；4、设计基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案；5、下位机控制器；6、移动机械臂。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本发明的第一个方面，提出了一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：根据Denavit-Hartenberg参数法进行建模，并考虑谐波噪声的干扰，建立噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程1；所述噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程1如下：
Figure BDA0003749413770000041
其中，
Figure BDA0003749413770000042
表示移动机械臂的联合速度且定义为
Figure BDA0003749413770000043
Figure BDA0003749413770000044
表示移动平台的驱动轮的旋转角速度，
Figure BDA0003749413770000045
表示移动机械臂的关节速度；J表示移动机械臂的雅克比矩阵；
Figure BDA0003749413770000046
表示移动机械臂末端的期望速度；γ表示误差反馈系数；e表示移动机械臂末端的位置误差且定义为
Figure BDA0003749413770000047
p表示移动机械臂末端的期望位置，
Figure BDA0003749413770000048
表示非线性映射函数，
Figure BDA0003749413770000049
表示移动机械臂的联合位置且定义为
Figure BDA0003749413770000058
pxy和φ分别表示移动平台在XY平面上的位置和朝向角，θ表示移动机械臂的关节角度；δ表示移动机械臂在执行规划任务过程中遇到的谐波噪声；
S2：采用内模原理，构造可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统2；所述可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统2如下：
Figure BDA0003749413770000051
其中，y表示用于自动补偿谐波噪声干扰的信号，z表示y的时间导数且定义为
Figure BDA0003749413770000052
Figure BDA0003749413770000053
表示z的时间导数；f表示谐波噪声δ的频率。
S3：在所述噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程1的基础上融合所述可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统2，并引入移动机械臂末端位置误差积分信息的反馈3，设计基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案4；所述基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案4如下：
Figure BDA0003749413770000054
其中，J+表示雅克比矩阵J的伪逆矩阵，x表示移动机械臂末端位置误差e的积分信息，
Figure BDA0003749413770000057
表示x的时间导数，η表示误差积分反馈系数。
在这里，需要说明的是，在(3)式中第一个动态方程可计算得到用于移动机械臂运动规划的驱动轮旋转角速度
Figure BDA0003749413770000055
和关节速度
Figure BDA0003749413770000056
(3)式中第二、三和四个动态方程联合一起则可计算得到用于自动补偿谐波噪声δ干扰的信号y，也就是，随着不断的计算，两者将满足δ-y→0，从而使得(3)式中第一个动态方程在计算过程中避免谐波噪声的干扰。这就实现了移动机械臂在执行规划任务过程中自适应的目的。
根据(3)式中计算得到的驱动轮旋转角速度和关节速度，所述移动机械臂的下位机控制器根据所述基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案的计算结果驱动移动平台和移动机械臂来完成给定的规划任务，即使执行规划任务过程中存在谐波噪声的干扰。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据Denavit-Hartenberg参数法进行建模，并考虑谐波噪声的干扰，建立噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程；所述噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程如下：
Figure FDA0003749413760000011
其中，
Figure FDA0003749413760000012
表示移动机械臂的联合速度且定义为
Figure FDA0003749413760000013
Figure FDA0003749413760000014
表示移动平台的驱动轮的旋转角速度，
Figure FDA0003749413760000015
表示移动机械臂的关节速度；J表示移动机械臂的雅克比矩阵；
Figure FDA0003749413760000016
表示移动机械臂末端的期望速度；γ表示误差反馈系数；e表示移动机械臂末端的位置误差且定义为
Figure FDA0003749413760000017
p表示移动机械臂末端的期望位置，
Figure FDA0003749413760000018
表示非线性映射函数，
Figure FDA0003749413760000019
表示移动机械臂的联合位置且定义为
Figure FDA00037494137600000110
pxy和φ分别表示移动平台在XY平面上的位置和朝向角，θ表示移动机械臂的关节角度；δ表示移动机械臂在执行规划任务过程中遇到的谐波噪声；
S2：采用内模原理，构造可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统；所述可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统如下：
Figure FDA00037494137600000111
其中，y表示用于自动补偿谐波噪声干扰的信号，z表示y的时间导数且定义为
Figure FDA00037494137600000112
Figure FDA00037494137600000113
表示z的时间导数；f表示谐波噪声δ的频率；
S3：在所述噪声环境下移动机械臂的速度层运动学方程的基础上融合所述可自动补偿谐波噪声干扰的自适应动态系统，并引入移动机械臂末端位置误差积分信息的反馈，设计基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案；所述基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案如下：
Figure FDA0003749413760000021
其中，J+表示雅克比矩阵J的伪逆矩阵，x表示移动机械臂末端位置误差e的积分信息，
Figure FDA0003749413760000022
表示x的时间导数，η表示误差积分反馈系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法，其特征在于，所述移动机械臂的下位机控制器根据所述基于伪逆描述且具备自适应抗噪特性的运动规划方案的计算结果驱动移动平台和移动机械臂来完成给定的规划任务。
CN202210833987.XA 2022-07-15 2022-07-15 一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法 Active CN115107032B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210833987.XA CN115107032B (zh) 2022-07-15 2022-07-15 一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210833987.XA CN115107032B (zh) 2022-07-15 2022-07-15 一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115107032A true CN115107032A (zh) 2022-09-27
CN115107032B CN115107032B (zh) 2024-04-05

Family

ID=83332788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210833987.XA Active CN115107032B (zh) 2022-07-15 2022-07-15 一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115107032B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090247083A1 (en) * 2008-03-31 2009-10-01 Nellcor Puritan Bennett Llc Wavelength Selection And Outlier Detection In Reduced Rank Linear Models
CN104407611A (zh) * 2014-09-30 2015-03-11 同济大学 一种仿人机器人稳定行走的控制方法
US20170312920A1 (en) * 2014-11-03 2017-11-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Position/force control of a flexible manipulator under model-less control
JP2018058181A (ja) * 2016-10-07 2018-04-12 国立大学法人岐阜大学 外乱オブザーバ及びロボット制御装置
CN108015763A (zh) * 2017-11-17 2018-05-11 华南理工大学 一种抗噪声干扰的冗余度机械臂路径规划方法
CN108942942A (zh) * 2018-08-16 2018-12-07 居鹤华 一种基于轴不变量的多轴机器人逆运动学建模与解算方法
GB201901006D0 (en) * 2019-01-24 2019-03-13 Imperial Innovations Ltd Mapping an enviroment using a state of a robotic device
CN109514563A (zh) * 2019-01-08 2019-03-26 华侨大学 一种自适应抗噪的冗余度机械臂运动规划方法
CN109782601A (zh) * 2019-01-31 2019-05-21 浙江大学 一种协调机械臂自适应神经网络同步鲁棒控制器设计方法
CN113341728A (zh) * 2021-06-21 2021-09-03 长春工业大学 一种抗噪型归零神经网络的四轮移动机械臂轨迹跟踪控制方法
CN113891786A (zh) * 2019-04-17 2022-01-04 优傲机器人公司 基于自适应摩擦来控制机器人臂的方法
US20220019196A1 (en) * 2020-07-14 2022-01-20 Ubtech Robotics Corp Ltd Feedforward control method for floating base dynamics, computer-readable storage medium and robot

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090247083A1 (en) * 2008-03-31 2009-10-01 Nellcor Puritan Bennett Llc Wavelength Selection And Outlier Detection In Reduced Rank Linear Models
CN104407611A (zh) * 2014-09-30 2015-03-11 同济大学 一种仿人机器人稳定行走的控制方法
US20170312920A1 (en) * 2014-11-03 2017-11-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Position/force control of a flexible manipulator under model-less control
JP2018058181A (ja) * 2016-10-07 2018-04-12 国立大学法人岐阜大学 外乱オブザーバ及びロボット制御装置
CN108015763A (zh) * 2017-11-17 2018-05-11 华南理工大学 一种抗噪声干扰的冗余度机械臂路径规划方法
CN108942942A (zh) * 2018-08-16 2018-12-07 居鹤华 一种基于轴不变量的多轴机器人逆运动学建模与解算方法
CN109514563A (zh) * 2019-01-08 2019-03-26 华侨大学 一种自适应抗噪的冗余度机械臂运动规划方法
GB201901006D0 (en) * 2019-01-24 2019-03-13 Imperial Innovations Ltd Mapping an enviroment using a state of a robotic device
CN109782601A (zh) * 2019-01-31 2019-05-21 浙江大学 一种协调机械臂自适应神经网络同步鲁棒控制器设计方法
CN113891786A (zh) * 2019-04-17 2022-01-04 优傲机器人公司 基于自适应摩擦来控制机器人臂的方法
US20220019196A1 (en) * 2020-07-14 2022-01-20 Ubtech Robotics Corp Ltd Feedforward control method for floating base dynamics, computer-readable storage medium and robot
CN113341728A (zh) * 2021-06-21 2021-09-03 长春工业大学 一种抗噪型归零神经网络的四轮移动机械臂轨迹跟踪控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MENG XU; HAOBIN SHI; KAI JIANG; LIHUA WANG; XUESI LI: "A Fuzzy Approach to Visual Servoing with A Bagging Method for Wheeled Mobile Robot", 2019 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MECHATRONICS AND AUTOMATION (ICMA), 29 August 2019 (2019-08-29) *
QU LI; NAIMENG CANG; WEIDONG ZHANG; DONGSHENG GUO; CANWEI ZHANG: "A Pseudo-Inverse Redundancy-Based Resolution Scheme at the Acceleration Level to Control Robotic Arm Motion", 2023 6TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS, CONTROL AND AUTOMATION ENGINEERING (RCAE), 26 January 2024 (2024-01-26) *
颜子毅: "冗余度机械臂的新型递归神经网络运动规划策略", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》, no. 1, 15 January 2020 (2020-01-15) *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115107032B (zh) 2024-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110065070B (zh) 一种基于动力学模型的机器人自适应阻抗控制系统
EP0672507A1 (en) Method for controlling the movements of an industrial robot at and near singularities
CN110007594B (zh) 一种汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制方法
CN108068113B (zh) 7-dof仿人臂飞行物体作业最小加速度轨迹优化
CN108098777B (zh) 一种冗余度机械臂力矩层重复运动控制方法
CN112405519A (zh) 上下料机器人运动轨迹规划方法
CN101927495A (zh) 一种冗余度机械臂重复运动规划方法
CN110561440A (zh) 一种冗余度机械臂加速度层多目标规划方法
CN109656132B (zh) 一种空间机器人有限时间协调控制方法
CN110549334A (zh) 一种四自由度机械手臂的控制方法
Sciavicco et al. Coordinate transformation: A solution algorithm for one class of robots
Korayem et al. Trajectory optimization of flexible link manipulators in point-to-point motion
CN115890735B (zh) 机械臂系统、机械臂及其控制方法、控制器和存储介质
Nishimura et al. Motion control of three-link brachiation robot by using final-state control with error learning
US20050125100A1 (en) Method and device for controlling robot
CN110666794A (zh) 多自由度协作机器人拖动的末端负载力补偿方法
CN109760063A (zh) 并联机器人的控制方法、装置、设备及存储介质
CN114347018A (zh) 一种基于小波神经网络的机械臂扰动补偿方法
CN115107032A (zh) 一种基于伪逆且可自适应抗噪的移动机械臂运动规划方法
CN115609580A (zh) 一种空间机械臂柔性振动抑制方法
CN108490874B (zh) 一种双轴运动控制系统的非线性pid交叉耦合控制方法
CN109514563B (zh) 一种自适应抗噪的冗余度机械臂运动规划方法
CN109366486A (zh) 柔性机器人逆运动学求解方法、系统、设备、存储介质
CN111673742A (zh) 一种工业机器人轨迹跟踪控制算法
CN113043277B (zh) 多关节机构轨迹规划方法、装置、电子设备及存储介质

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant