[发明专利]控制体系封闭机器人自适应动态力/位置混合控制方法

说明书

本发明涉及一种针对控制体系封闭机器人的动态力/位置混合控制方法，是一种适用于存在强非线性和不确定性且无开放力矩接口的机器人系统的非线性力/位置混合控制方法，能够同时适应系统内环控制器参数的不确定性和机器人系统的惯量、质量、质心位置等不确定性，属于机器人控制技术领域。本发明提出的基于动态反馈的非线性控制方法充分考虑机器人的动力学耦合和非线性。所提出的控制方法体现为机械臂关节位置或者速度指令，该指令信息中包含基于力的测量信息和机械臂状态信息的动态补偿，用于实现机器人系统的动态力/位置混合控制。所提出的控制方法把目前已有的基于动态反馈的自由空间控制方法推广至考虑机械臂末端同环境接触的情形。

技术领域

本发明涉及一种针对控制体系封闭机器人的动态力/位置混合控制方法，是一种适用于存在强非线性和不确定性且无开放力矩接口的机器人系统的非线性力/位置混合控制方法，能够同时适应系统内环控制器参数的不确定性和机器人系统的惯量、质量、质心位置等不确定性，属于机器人控制技术领域。

背景技术

力/位置混合控制方法是处理机器人同环境柔顺交互的一种重要手段，提出于上个世纪80年代，主要针对关节力矩开放的机器人系统。但是在工业和工程应用场合，动态力/位置混合控制的实施却受到机器人控制体系封闭的约束，比如控制力矩不开放，只能设计关节位置或者速度指令。在工业和商业场合，大部分公司出产的机器人也都具有类似的特点。那么自然提出一个基本问题：如何在有限的设计自由度(只开放关节位置或者速度指令)下，实现机器人动态力/位置混合控制？

针对此问题的传统做法是施加运动学控制，忽略机器人动力学的影响。这种做法对于大减速比工业机器人有一定的适用性，因为安装有大减速比减速器的工业机器人的动力学耦合大大降低。但是在精度、安全性和合作性要求更多的场合，特别是目前蓬勃发展的协作机器人和轻型机器人，运动学控制所忽略的机器人非线性耦合的影响占有很大的比重，对于系统的稳定性和动态精度都有不可忽视的影响。因此需要一种能够充分考虑机器人系统动力学影响的力/位置混合控制方法，以保证操作的精度、安全性和动态性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出控制体系封闭机器人自适应动态力/位置混合控制方法，该方法针对存在较强非线性和参数不确定性的控制体系封闭机器人，为一种基于动态反馈的自适应力/位置混合控制方法。

本发明的技术解决方案是：

控制体系封闭机器人自适应动态力/位置混合控制方法，包括下列步骤：

(1)建立控制体系封闭机器人的参数化模型

考虑接触柔顺环境的n自由度机器人。用x∈Rⁿ表示机械臂末端位置，q∈Rⁿ表示机械臂关节位置，那么有经典关系式：

x＝σ(q) (1)

其中σ:Rⁿ→Rⁿ为非线性函数，Rⁿ表示n维实空间。用J(q)∈R^n×n表示机械臂的雅克比矩阵，那么机械臂末端速度和机械臂关节速度的关系可表述为如下的经典形式：

用δ_x表示环境轮廓由于同机械臂末端的交互作用而产生的变形量，那么有经典关系式：

H(x)＝δ_x (3)

其中H:Rⁿ→R为非线性函数，那么根据目前已有的结果，机械臂末端与环境轮廓的接触力f可表达为

其中γ＝kδ_x为接触力的幅值大小，k为环境刚度。对于力/位置混合控制，任务空间变量通常定义为