[发明专利]冗余度机械臂位姿控制的方法、系统及机器人有效

专利信息
申请号: 202210919315.0 申请日: 2022-08-02
公开(公告)号: CN115213905B 公开(公告)日: 2023-08-25
发明(设计)人: 黎卫兵;伍海媚;潘永平;黄凯 申请(专利权)人: 中山大学
主分类号: B25J9/16 分类号: B25J9/16
代理公司: 广州市华学知识产权代理有限公司 44245 代理人: 李斌
地址: 510275 广东*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 冗余 机械 臂位姿 控制 方法 系统 机器人
【说明书】:

发明公开了一种冗余度机械臂位姿控制方法、系统及机器人,方法包括如下步骤:步骤一:规划冗余机械臂执行器末端位姿;步骤二:提出一种位姿控制的约束优化方案;步骤三:将步骤二的约束优化方案转化为二次规划QP问题;步骤四:基于maxQ函数,设计新的零化神经网络ZNN模型作为QP问题求解器;步骤五:驱动机械臂运动到达指定位姿。本发明针对冗余度机械臂提出一种新的位姿控制的约束优化方案和一种新的ZNN求解器。所设计的ZNN求解器是一种全新的神经网络算法,其可处理冗余度机械臂的位姿控制问题,同时实现关节运动的优化控制。本发明相比其他方法而言,无需训练和迭代计算,求解精度高,还可通过选择合适的激活函数,保障本方法良好的抗噪性能。

技术领域

本发明涉及位姿控制的技术领域,更具体的,涉及一种冗余度机械臂位姿控制方法、系统及机器人。

背景技术

冗余度机械臂具有关节自由度数目大于任务空间所需自由度的特性,即:完成某一特定任务时,机械臂具有冗余的自由度。冗余度机械臂的逆运动学问题是指已知机械臂末端位姿,确定机械臂的关节构型的问题。冗余度机械臂的位姿控制应用范围广泛,包括医疗领域中手术机器人的遥操作,工业领域中使用机械臂进行抓取、焊接和喷漆,航天领域中通过扩展机器人手臂进行样品的采集等。由于具备冗余的自由度,一方面,冗余度机械臂的逆运动学问题具有无穷多解,给冗余度机械臂的位姿控制带来了挑战;另一方面,冗余的自由度可保证机械臂末端在完成所要求任务的同时,还能根据不同的任务要求和工作环境选择不同的优化指标。因此,冗余度机械臂的位姿控制问题通常可以进一步表征为求解优化问题。

实际上,机器人的每个关节都拥有自身极限,在任务执行过程中如果超出机器人的关节极限,将可能损坏机器人。因此,一般为了处理冗余机器人的关节约束,可将其逆运动学问题表示成约束优化问题,如二次规划QP问题。求解约束优化问题的求解器有动态神经网络(Dynamic Neural Network,DNN)求解器、基于梯度的神经网络(Gradient-basedNeural Network,GNN)求解器、零化神经网络(Zeroing Neural Network,ZNN)求解器和数值算法等。ZNN求解器广泛应用时变优化问题的求解,具有求解精度高、无需训练和迭代运算等优点。然而,目前尚没有适用于位姿控制的ZNN求解器和优化控制方案。

发明内容

本发明为克服上述所述的冗余度机械臂的位姿控制的方法的缺陷,提供一种冗余度机械臂位姿控制方法、系统及机器人,本发明可以处理冗余机械臂的位姿控制问题,同时利用冗余的自由度实现关节速度层的优化控制。

为了达到上述优点,本发明采用以下技术方案:

本发明一方面提供了一种冗余度机械臂位姿控制方法,包括下述步骤:

步骤一:规划冗余度机械臂执行器末端位姿,即冗余度机械臂执行器末端预期到达的位置Pd以及姿态qd

步骤二:根据具体的冗余度机械臂建立其相应的位姿控制方案;通过使用单位四元数定义姿态误差e,并考虑方案冗余度机械臂的关节速度和执行器末端的线速度v之间的等式约束以及关节极限θ-≤θ≤θ+和关节速度极限的双端约束,由此建立其相应的位姿控制方案;

步骤三:将上述位姿控制方案转化为QP问题;通过将用于考虑关节位置极限和关节速度极限的双端约束,转化成一个不等式约束,以在速度层实现对关节位置和关节速度的极限处理;最终得到的QP方案中,性能指标为xTWx/2+hTx,等式约束为Cx=d以及不等式约束为Ex≤f;

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