[发明专利]基于全状态阻抗控制器的移动操作机器人通用控制方法

说明书

本发明公开了基于全状态阻抗控制器的移动操作机器人通用控制方法，建立移动操作机器人整体的运动学与动力学方程，在此基础上建立了笛卡尔空间带权重矩阵的全状态阻抗控制器；根据目标物体与机器人末端之间的距离，模仿人的行为模式，设计了操作、定位‑操作、定位三种运动模式，并设定了三种模式下对应的参数，本发明能够同时适应移动操作机器人的接触和非接触两种场景，实现对移动底盘和机械臂的协同控制，且柔顺操作的效果较好。

技术领域

本发明涉及机器人自动化领域，尤其涉及移动操作机器人在接触和非接触任务中的协同控制和柔顺操作问题。

背景技术

移动操作机器人是指将轻量化的协作机械臂集成在多功能移动底盘上，这类复合式机器人兼具协作机械臂的灵巧和移动底盘工作空间大的优点，功能多样，适用范围广，随着制造业的转型升级也越来越受到重视。

移动操作机器人较为复杂，包含环境感知、路径规划、运动控制等多个技术模块，其中运动控制是关键基础技术，对移动操作机器人的作业效果发挥着重要作用。根据是否与操作环境接触，可以分为两类：一是针对自由运动的协调控制问题(非接触)，聚焦移动底盘和机械臂之间存在相对运动时的协调控制问题；二是在环境交互作用下的接触作业控制问题(接触)，要解决存在交互力情况下的协同控制问题。而对于具体采用的控制方式，分为基于力矩控制和速度控制两种。目前，环境交互作用下的接触作业的控制仍然是难题，且大部分已提出的方法只适应上述两种情况之一，而所提基于速度控制的方法，虽然能够适应两种场景，但是动态响应迟缓，交互性能差，因此应用受限。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于全状态阻抗控制器的移动操作机器人通用控制方法，能够同时适应接触和非接触两种场景下的操作任务，实现柔顺操作，简单高效。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

基于全状态阻抗控制器的移动操作机器人通用控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立移动操作机器人的运动学模型和动力学模型，所述移动操作机器人包括移动底盘和机械臂；

步骤2、在步骤1建立的运动学模型和动力学模型基础上，建立带权重矩阵的全状态阻抗控制器；

步骤3、根据目标物体与机械臂末端之间的距离，选定移动操作机器人的工作模式，并给定选定的移动操作机器人的工作模式下对应的权重矩阵的值，将所述权重矩阵的值带入步骤2得到的带权重矩阵的全状态阻抗控制器中计算，得到机械臂的期望关节力矩和移动底盘的虚拟力矩；

步骤4、将步骤3得到移动底盘的虚拟力矩加上扰动力矩，经过计算得到移动底盘的速度指令，并发送给底层速度控制器；将步骤3得到的机械臂的期望关节力矩加上扰动力矩，发送给机械臂底层力矩控制器。

进一步的，步骤1中，建立的移动操作机器人的运动学模型为：

式中，为机械臂末端坐标系在世界坐标系下的位姿描述矩阵，为底盘坐标系在世界坐标系下的位姿描述矩阵，为机械臂基座坐标系在底盘坐标系下的位姿描述矩阵，为机械臂末端坐标系在基座标系下的位姿描述矩阵；为底盘坐标系在世界坐标系下的旋转矩阵，为机械臂末端坐标系在基座标系下的旋转矩阵；r＝(r_x,r_y,r_θ)为移动底盘(1)的3个自由度，三个元素分别代表底盘在x，y方向的位置和与x轴的夹角；(x₀,y₀,z₀)依次为机械臂基座标系原点在底盘坐标系x,y,z方向上的位置；(x_q,y_q,z_q)依次为机械臂末端在机械臂基座标系x,y,z方向上的位置；q＝(q₁～q₇)为机械臂的7个自由度，分别表示机械臂7个关节位置。