[发明专利]一种基于任务分解的双臂冗余机械臂动态协同控制方法

说明书

本发明公开了一种基于任务分解的双臂冗余机械臂动态协同控制方法，包括以下步骤：给定双臂的目标任务；为双臂选定多个特征点；建立双臂系统的运动学方程，求解双臂的控制点位置与速度；通过控制点建立双臂的自避障任务，建立冗余机械臂的关节速度通解方程，并加入动态决策因子和双臂的自避障任务；直至双臂完成目标任务。实现了冗余双臂运动学任务分解的动态决策控制方法，可以根据双臂实时的运动状态采取不同的控制策略，使双臂在保证安全的基础上完成给定的目标任务。

技术领域

本发明属于双臂机器人的决策控制技术领域，涉及一种基于任务分解的双臂冗余机械臂动态协同控制方法。

背景技术

随着科技的发展和工业生产的进步，单机械臂系统往往难以满足机器人的自动化、智能化要求，双冗余机械臂系统凭借其高适应性、强协作性与高灵活性被作为机器人研究的重点之一。因为双臂系统存在的操作空间重叠的问题，双臂协调与避碰方法的研究是双臂系统的重点。

目前，针对双臂的协调控制问题，已经有多种方法和策略。很多研究的重点在运动控制的过程中，让双臂保持合理的安全距离；或者在可行空间中求取一条无碰路径。针对双臂自避障的问题求解，目前有以下解决办法：

(1)在构型空间中规划一条从起点到终点的无碰路径；

(2)将初始的规划路径归一化，建立协调空间，改变路径点上的速度使双臂在发生碰撞前互相避让；

(3)将双臂之间的距离作为运动控制的限制条件，维持双臂的安全距离；

(4)为双臂建立势场，双臂之间互有斥力，引导双臂保持较为安全的距离。

但是，在上述方法中，多自由度的双臂系统在构型空间与协调空间存在高维计算的问题。多自由度机械臂系统具有较高的计算复杂度，难以满足实时控制的及时性要求；限制双臂距离函数仅仅考虑了双臂之间的相对距离，没有将相对速度作为考虑内容，在机械臂高速运行时，难以避免高速迫近发生碰撞的特殊情况。吴长征等人在《双臂机器人自碰撞检测及其运动规划》中提出了一种基于空间向量几何距离的机械臂自碰撞检测的方法，并通过改进的人工势场法，将线性斥力作为算子进行自避障规划。构造势场等方法通过对机械臂连杆的积分构建相应的场函数，将场函数作为机械臂控制的依据。一方面三维空间下构建场提高了计算复杂度，另一方面势场法存在使机械臂陷入局部极小值的问题，最终难以完成任务。针对上述问题，本方法一方面将双臂之间的相对速度作为控制依据之一，可应对双臂之间高速迫近的危险情况；另一方面直接在工作空间构造避障任务，避免了场函数或其他空间的转化，提高了规划效率，增强了机械臂控制的实时性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于任务分解的双臂冗余机械臂动态协同控制方法。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于任务分解的双臂冗余机械臂动态协同控制方法，包括以下步骤：

步骤1、给定双臂各自的目标任务；

步骤2、在双臂设置多个特征点，表示双臂所在的空间位置；

步骤3、建立双臂系统的运动学方程，求解特征点的空间位置并相应确定控制点的空间位置，获取双臂控制点空间速度；

步骤4、确定双臂的自避障任务，建立冗余机械臂的关节速度通解方程，并加入动态决策因子和双臂的自避障任务；

步骤5、判断双臂是否完成目标任务，如未完成，至步骤3。

优选的，步骤1具体为：给定机械臂末端在笛卡尔空间的目标位置：

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