CN116494250B - 基于速度补偿的机械臂控制方法、控制器、介质及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械臂控制技术领域，为了解决机械臂末端运动的路径准确性的问题，提供了一种基于速度补偿的机械臂控制方法、控制器、介质及系统。其中，基于速度补偿的机械臂控制方法包括根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵，进而计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度；计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度。其在对机械臂末端进行速度控制的同时保证了位姿的精准度。
Description
技术领域
本发明属于机械臂控制技术领域，尤其涉及一种基于速度补偿的机械臂控制方法、控制器、介质及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
机械臂的速度模式是指，给定机械臂的末端笛卡尔空间运动速度指令，而不指定运动终点，机械臂沿速度指令方向和大小一直运动。为了实现机械臂的速度模式这一功能，通常的做法是实时获取机械臂的雅可比矩阵，通过雅可比矩阵将笛卡尔空间的速度转化为机械臂的所有关节的转速，通过实时给定关节的转速从而达到目的。
然而，发明人发现，由于雅可比矩阵是时变的，理想状态下连续的雅可比获取和计算才能保证末端无误差的直线运动，但是由于计算过程的离散性，必然会产生运动的累积误差，机械臂的末端并不能保证严格按照给定方向直行，当机械臂运动时间越长，累积误差越大，从而降低了机械臂末端运动的路径准确性。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于速度补偿的机械臂控制方法、控制器、介质及系统，其通过对指令速度进行补偿，不断纠正下一控制周期的速度给定，从而在对机械臂末端进行速度控制的同时保证了位姿的精准度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于速度补偿的机械臂控制方法。
在一个或多个实施例中，一种基于速度补偿的机械臂控制方法，其包括：
获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；
以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系；
获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度；
计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度。
作为一种实施方式，计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵。
作为一种实施方式，所述基于速度补偿的机械臂控制方法还包括：
将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
本发明的第二个方面提供一种基于速度补偿的机械臂控制器。
一种基于速度补偿的机械臂控制器，其包括：
笛卡尔空间位姿计算模块，其用于获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；
雅可比矩阵计算模块，其用于以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系；
末端实际速度计算模块，其用于获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度；
指令速度补偿模块，其用于计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度。
作为一种实施方式，在所述雅可比矩阵计算模块中，计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵。
作为一种实施方式，所述基于速度补偿的机械臂控制器还包括：
运动结束判断模块，其用于将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
本发明的第三个方面提供一种基于速度补偿的机械臂控制系统。
一种基于速度补偿的机械臂控制系统，其包括：编码器和控制器，所述编码器用于检测机械臂各个关节在当前控制周期的位置以及各个关节在当前控制周期的速度，并均传送至控制器；
所述控制器被配置为：
获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；
以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系；
获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度；
计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度。
作为一种实施方式，计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵。
作为一种实施方式，所述控制器还被配置为：
将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
本发明的第四个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于速度补偿的机械臂控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在控制机械臂末端以某个确定速度沿某个恒定方向直线运动时，为避免计算的离散化使雅可比矩阵不连续而产生的末端位置累积误差，本发明在每个计算周期对给定的速度指令进行误差补偿，这一补偿不依赖于外部的速度传感器，而是依赖于机械臂控制器自身的计算而进行，然后使用补偿后的速度指令去进行机械臂运动学的相关计算，通过对指令速度进行补偿，不断纠正下一控制周期的速度给定，从而在对机械臂末端进行速度控制的同时保证了位姿的精准度，大大提高了机械臂末端运动的路径准确性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的基于速度补偿的机械臂控制方法原理图；
图2是本发明实施例的基于速度补偿的机械臂控制器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例的基于速度补偿的机械臂控制方案应用场景为：用于提升速度模式下多轴串联机械臂末端直线运动的精准度，减少运动过程中的累积误差。
参照图1，本实施例提供了一种基于速度补偿的机械臂控制方法，其包括：
步骤1：获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿。
下面以六轴机械臂为例来详细说明：
六轴机械臂包括六个关节，其中六个关节在当前控制周期的位置为，其中；
通过关节位置，代入齐次矩阵/>计算当前控制周期机械臂末端的笛卡尔空间位姿/>。
步骤2：以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系。
具体地，计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵。
运动以此时的当前点作为起点，因此/> =/>，对齐次矩阵/>中每一项分别对/>求偏导，得到雅可比矩阵/>，即笛卡尔空间速度/>和关节速度/>之间的瞬时关系：
步骤3：获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度。
步骤4：计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度。
机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差为/>：
。
用为更新后的速度指令：
经过以上步骤，每一个控制周期都对进行补偿，实现速度闭环，可提高机械臂末端运动的准确性。
在一些实施例中，所述基于速度补偿的机械臂控制方法还包括：
将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
当机械臂末端指令速度不为零时，重复步骤1~步骤4。
本实施例通过对指令速度进行补偿，不断纠正下一控制周期的速度给定，从而在对机械臂末端进行速度控制的同时保证了位姿的精准度。
实施例二
参照图2，本实施例提供了一种基于速度补偿的机械臂控制器，其包括：
（1）笛卡尔空间位姿计算模块，其用于获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；
（2）雅可比矩阵计算模块，其用于以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系。
具体地，在所述雅可比矩阵计算模块中，计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵。
（3）末端实际速度计算模块，其用于获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度。
（4）指令速度补偿模块，其用于计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度。
在一个或多个实施例中，所述基于速度补偿的机械臂控制器还包括：
（5）运动结束判断模块，其用于将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种基于速度补偿的机械臂控制系统，其包括：编码器和控制器，所述编码器用于检测机械臂各个关节在当前控制周期的位置以及各个关节在当前控制周期的速度，并均传送至控制器；
所述控制器被配置为：
获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；
以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系；
获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度；
计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度。
其中，计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵。
在一个或多个实施例中，所述控制器还被配置为：
将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
此处需要说明的是，本实施例中的控制器中执行的各个步骤与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例四
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于速度补偿的机械臂控制方法中的步骤。
本发明是参照本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于速度补偿的机械臂控制方法，其特征在于，包括：
获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；
以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系；计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵；
设在每个关节在当前控制周期的位置为，对齐次矩阵每一项分别对/>求偏导，得到雅可比矩阵/>，即机械臂末端笛卡尔空间速度/>和关节速度/>之间的瞬时关系：
；
获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度；
计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度；
其中，机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差为/>：
；
用为更新后的速度指令：
；
每一个控制周期都对进行补偿，实现速度闭环控制。
2.如权利要求1所述的基于速度补偿的机械臂控制方法，其特征在于，所述基于速度补偿的机械臂控制方法还包括：
将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
3.一种基于速度补偿的机械臂控制器，其特征在于，包括：
笛卡尔空间位姿计算模块，其用于获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；
雅可比矩阵计算模块，其用于以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系；在所述雅可比矩阵计算模块中，计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵；
设在每个关节在当前控制周期的位置为，对齐次矩阵每一项分别对/>求偏导，得到雅可比矩阵/>，即机械臂末端笛卡尔空间速度/>和关节速度/>之间的瞬时关系：
；
末端实际速度计算模块，其用于获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度；
指令速度补偿模块，其用于计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度；
其中，机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差为/>：
；
用为更新后的速度指令：
；
每一个控制周期都对进行补偿，实现速度闭环控制。
4.如权利要求3所述的基于速度补偿的机械臂控制器，其特征在于，所述基于速度补偿的机械臂控制器还包括：
运动结束判断模块，其用于将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
5.一种基于速度补偿的机械臂控制系统，其特征在于，包括：编码器和控制器，所述编码器用于检测机械臂各个关节在当前控制周期的位置以及各个关节在当前控制周期的速度，并均传送至控制器；
所述控制器被配置为：
获取机械臂各个关节在当前控制周期的位置，并根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间位姿；
以机械臂末端的当前位置点作为起点，计算当前控制周期的雅可比矩阵；其中，雅可比矩阵表示笛卡尔空间速度和关节速度之间的瞬时关系；计算当前控制周期的雅可比矩阵的过程为：
根据机械臂基坐标系到机械臂末端坐标系的齐次矩阵中每一项分别对各个关节在当前控制周期的位置数据求偏导，得到当前控制周期的雅可比矩阵；
设在每个关节在当前控制周期的位置为，对齐次矩阵每一项分别对/>求偏导，得到雅可比矩阵/>，即机械臂末端笛卡尔空间速度/>和关节速度/>之间的瞬时关系：
；
获取各个关节在当前控制周期的速度，根据当前控制周期的雅可比矩阵，计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度；
计算机械臂末端在当前控制周期的实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差，并作为下一控制周期的速度补偿值来对机械臂末端指令速度进行补偿，以更新机械臂末端指令速度；
其中，机械臂末端在当前控制周期的笛卡尔空间实际速度与机械臂末端指令速度之间的偏差为/>：
；
用为更新后的速度指令：
；
每一个控制周期都对进行补偿，实现速度闭环控制。
6.如权利要求5所述的基于速度补偿的机械臂控制系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：
将机械臂末端指令速度为零，作为本次运动的结束条件。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-2中任一项所述的基于速度补偿的机械臂控制方法中的步骤。
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