一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及机械臂控制领域，提出一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法与装置。所述控制方法包括：确定多冗余度机械臂系统中的目标冗余度机械臂；获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息；获取所述目标冗余度机械臂的参考点轨迹信息；根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式；根据二次型优化和标准二次规划方法确定所述目标冗余度机械臂的控制信号；根据所述控制信号控制所述目标冗余度机械臂，使得所述目标冗余度机械臂实现重复运动。利用本发明专利技术实施例提出的协同控制方法，可在通信受限的情况下实现多机械臂系统的分布式协同重复运动。

Method and device for cooperative control of multi redundancy manipulator system

The invention relates to the mechanical arm control field, and puts forward a cooperative control method and device of a multi redundancy manipulator system. The control method includes: determining the target redundant manipulator multi redundant manipulator system; acquiring the target redundant manipulator adjacent redundant manipulator's position and speed information; reference trajectory information acquiring the target redundant manipulator; according to the position and speed of the information, and the reference trajectory information constructing the Jacobi matrix equation corresponding to the target redundant manipulator according to the preset rules; according to the two standards of the two type optimization and planning method to determine the control signal of the target redundant manipulator; according to the control signal to control the target redundant manipulator, which makes the the target to achieve the repetitive motion of redundant manipulator. The cooperative control method proposed by the embodiment of the invention can realize the distributed cooperative repeated movement of the multi robot arm system under the condition of limited communication.

【技术实现步骤摘要】
一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法与装置
本专利技术涉及机械臂控制领域，具体涉及一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法与装置。
技术介绍
冗余度机械臂具有自由度大于任务空间所需最少自由度的特性，广泛应用于装备制造、产品加工、机器作业等国民经济生产活动中，相较于传统的人工作业能大幅提高生产效率。在医疗手术、汽车装配等应用领域中，通常需要使用由多个冗余度机械臂组成的多冗余度机械臂系统，因此如何对多冗余度机械臂系统进行协同控制，保证多冗余度机械臂系统中各个冗余度机械臂能够实现重复运动，成为人们必须考虑的问题。目前，在广阔的操作环境中，多冗余度机械臂系统中各个冗余度机械臂因距离以及通信负载的限制，通常不具有全局通信的能力，此外，控制中心也难以接入所有机械臂进行直接通信。在大规模环境下，冗余度机械臂之间有可能因为数量较多导致通信负载过大而难以通信，进而导致信息不能随时、随地进行共享，严重阻碍多机械臂系统实现分布式协同重复运动。
技术实现思路
本专利技术提出一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法与装置，旨在解决如何在通信受限的情况下实现多机械臂系统的分布式协同重复运动的问题。本专利技术实施例第一方面提供了一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法，所述多冗余度机械臂系统包括两个以上的冗余度机械臂，所述两个以上的冗余度机械臂在通信拓扑图中连通；所述控制方法包括：确定所述两个以上的冗余度机械臂中至少一个冗余度机械臂为目标冗余度机械臂；获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息，所述相邻冗余度机械臂与所述目标冗余度机械臂在通信拓扑图中相邻连接；获取所述目标冗余度机械臂的参考点轨迹信息，所述参考点轨迹信息由预设的目标参考点和所述目标参考点的期望轨迹确定；根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式；在所述雅可比矩阵等式、关节角度极限、关节速度极限和关节加速度极限的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定所述目标冗余度机械臂的控制信号；根据所述控制信号控制所述目标冗余度机械臂，使得所述目标冗余度机械臂实现重复运动。本专利技术实施例第二方面提供了一种多冗余度机械臂系统的协同控制装置，所述多冗余度机械臂系统包括两个以上的冗余度机械臂，所述两个以上的冗余度机械臂在通信拓扑图中连通；所述控制装置包括：目标机械臂确定模块，用于确定所述两个以上的冗余度机械臂中至少一个冗余度机械臂为目标冗余度机械臂；信息获取模块，用于获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息，所述相邻冗余度机械臂与所述目标冗余度机械臂在通信拓扑图中相邻连接；参考点轨迹信息获取模块，用于获取所述目标冗余度机械臂的参考点轨迹信息，所述参考点轨迹信息由预设的目标参考点和所述目标参考点的期望轨迹确定；等式构建模块，用于根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式；控制信号确定模块，用于在所述雅可比矩阵等式、关节角度极限、关节速度极限和关节加速度极限的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定所述目标冗余度机械臂的控制信号；机械臂控制模块，用于根据所述控制信号控制所述目标冗余度机械臂，使得所述目标冗余度机械臂实现重复运动。在本专利技术实施例中，确定多冗余度机械臂系统中的目标冗余度机械臂；获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息；获取所述目标冗余度机械臂的参考点轨迹信息；根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式；根据二次型优化和标准二次规划方法确定所述目标冗余度机械臂的控制信号；根据所述控制信号控制所述目标冗余度机械臂，使得所述目标冗余度机械臂实现重复运动。利用本专利技术实施例提出的协同控制方法，由于目标冗余度机械臂只需与数量较少的相邻冗余度机械臂进行通信，大大减小了通信负载，从而可在通信受限的情况下实现多机械臂系统的分布式协同重复运动。附图说明图1为本专利技术实施例中一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法一个实施例的流程图；图2为图1中步骤104的一个实施例的具体流程图；图3为图2中步骤1042的一个实施例的具体流程图；图4为图1中步骤105的一个实施例的具体流程图；图5为本专利技术实施例中一种多冗余度机械臂系统的协同控制装置一个实施例的结构图。具体实施方式本专利技术提出一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法与装置，旨在解决如何在通信受限的情况下实现多机械臂系统的分布式协同重复运动的问题。为使得本专利技术的专利技术目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1示出了本专利技术一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法的一个实施例的流程图，所述多冗余度机械臂系统包括两个以上的冗余度机械臂，所述两个以上的冗余度机械臂在通信拓扑图中连通；如图1所示，所述控制方法包括：101、确定所述两个以上的冗余度机械臂中至少一个冗余度机械臂为目标冗余度机械臂；所述两个以上的冗余度机械臂在工作空间中按需分布，确定其中的一个或多个冗余度机械臂为目标冗余度机械臂，使所述目标冗余度机械臂实现重复运动。102、获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息，所述相邻冗余度机械臂与所述目标冗余度机械臂在通信拓扑图中相邻连接；在确定目标冗余度机械臂后，获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息。所述相邻冗余度机械臂指与所述目标冗余度机械臂在通信拓扑图中相邻连接的冗余度机械臂，和目标冗余度机械臂属于同一多冗余度机械臂系统。由于所述多冗余度机械臂系统在通信拓扑图中是连通的，因此对于某个目标冗余度机械臂来说，其相邻冗余度机械臂的个数为一个或以上。所述位置信息可以是冗余度机械臂的末端执行器的位置信息，也可以是冗余度机械臂的其它部位的位置信息。同样地，所述速度信息可以是冗余度机械臂的末端执行器的速度信息，也可以是冗余度机械臂的其它部位的速度信息，目标冗余度机械臂可以和其相邻冗余度机械臂互相交换所述位置和速度信息。103、获取所述目标冗余度机械臂的参考点轨迹信息，所述参考点轨迹信息由预设的目标参考点和所述目标参考点的期望轨迹确定；所述目标参考点是预设的位于目标冗余度机械臂工作空间中的位置参考点，所述参考点轨迹信息由所述目标参考点的期望位置及其移动速度确定。可以在多冗余度机械臂系统的工作空间中设置一个控制中心，由所述控制中心将所述参考点轨迹信息发送给各个目标冗余度机械臂，也可以利用相邻冗余度机械臂或其它方式将所述参考点轨迹信息发送给各个目标冗余度机械臂。104、根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式；在获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息，以及所述目标冗余度机械臂的参考点轨迹信息之后，根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法，其特征在于，所述多冗余度机械臂系统包括两个以上的冗余度机械臂，所述两个以上的冗余度机械臂在通信拓扑图中连通；所述控制方法包括：确定所述两个以上的冗余度机械臂中至少一个冗余度机械臂为目标冗余度机械臂；获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息，所述相邻冗余度机械臂与所述目标冗余度机械臂在通信拓扑图中相邻连接；获取所述目标冗余度机械臂的参考点轨迹信息，所述参考点轨迹信息由预设的目标参考点和所述目标参考点的期望轨迹确定；根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式；在所述雅可比矩阵等式、关节角度极限、关节速度极限和关节加速度极限的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定所述目标冗余度机械臂的控制信号；根据所述控制信号控制所述目标冗余度机械臂，使得所述目标冗余度机械臂实现重复运动。

【技术特征摘要】
1.一种多冗余度机械臂系统的协同控制方法，其特征在于，所述多冗余度机械臂系统包括两个以上的冗余度机械臂，所述两个以上的冗余度机械臂在通信拓扑图中连通；所述控制方法包括：确定所述两个以上的冗余度机械臂中至少一个冗余度机械臂为目标冗余度机械臂；获取所述目标冗余度机械臂的相邻冗余度机械臂的位置和速度信息，所述相邻冗余度机械臂与所述目标冗余度机械臂在通信拓扑图中相邻连接；获取所述目标冗余度机械臂的参考点轨迹信息，所述参考点轨迹信息由预设的目标参考点和所述目标参考点的期望轨迹确定；根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式；在所述雅可比矩阵等式、关节角度极限、关节速度极限和关节加速度极限的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定所述目标冗余度机械臂的控制信号；根据所述控制信号控制所述目标冗余度机械臂，使得所述目标冗余度机械臂实现重复运动。2.根据权利要求1所述的协同控制方法，其特征在于，所述根据所述位置和速度信息，以及所述参考点轨迹信息按照预设的规则构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式具体包括：构建所述目标冗余度机械臂对应的权重矩阵，所述权重矩阵中的各个元素为所述目标冗余度机械臂与所述两个以上的冗余度机械臂中的各个机械臂之间分别对应的第一连通权值；根据所述参考点轨迹信息的获取状态确定所述目标冗余度机械臂的第二连通权值；根据所述位置和速度信息、所述参考点轨迹信息、所述权重矩阵和所述第二连通权值构建所述目标冗余度机械臂对应的雅可比矩阵等式。3.根据权利要求2所述的协同控制方法，其特征在于，所述第一连通权值通过以下步骤确定：将所述目标冗余度机械臂与所述目标冗余度机械臂自身之间的第一连通权值设置为1；将所述目标冗余度机械臂与相邻冗余度机械臂之间的第一连通权值设置为1；将所述目标冗余度机械臂与所述两个以上的冗余度机械臂中的非自身且非相邻冗余度机械臂之间的第一连通权值设置为0；所述根据所述参考点轨迹信息的获取状态确定所述目标冗余度机械臂的第二连通权值具体包括：判断所述目标冗余度机械臂是否获取到所述参考点轨迹信息；若所述目标冗余度机械臂获取到所述参考点轨迹信息，则将所述第二连通权值设置为1；若所述目标冗余度机械臂未获取到所述参考点轨迹信息，则将所述第二连通权值设置为0；所述雅可比矩阵等式的通用表达式为：其中，Ji表示目标冗余度机械臂i的雅可比矩阵，为Ji的时间导数；表示目标冗余度机械臂i的关节速度向量，为的时间导数；表示与目标冗余度机械臂i之间的第一连通权值为1的机械臂的编号；Aij表示目标冗余度机械臂i的权重矩阵，所述权重矩阵中的各个元素为目标冗余度机械臂i与冗余度机械臂j之间的第一连通权值；ρi表示目标冗余度机械臂i的第二连通权值；δi＝ri-rirp为所述位置信息，ri为目标冗余度机械臂i的末端执行器位置，rirp为预设的目标冗余度机械臂i的末端执行器相对于所述目标参考点的距离向量；为所述速度信息，为目标冗余度机械臂i的末端执行器速度，rd为所述目标参考点的期望位置，为所述目标参考点的期望速度；c0＞0为控制算法收敛速度的参数，其越大则代表收敛速度越快。4.根据权利要求1至3中任一项所述的协同控制方法，其特征在于，所述在所述雅可比矩阵等式、关节角度极限、关节速度极限和关节加速度极限的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定所述目标冗余度机械臂的控制信号具体包括：设置最小化性能指标为重复运动，在所述雅可比矩阵等式、关节角度极限、关节速度极限和关节加速度极限的约束下确定二次型优化结果；将所述二次型优化结果转换为标准二次规划；对所述标准二次规划进行求解，得到求解结果；根据所述求解结果确定所述目标冗余度机械臂的控制信号。5.根据权利要求3所述的协同控制方法，其特征在于，所述二次型优化为：在第一约束条件下使得第一式子最小化；所述第一约束条件包括：雅可比矩阵等式约束条件关节角度极限约束条件关节速度极限约束条件关节加速度极限约束条件所述第一式子为其中，上标T表示矩阵和向量的转置；c1＞0和c2＞0是用来控制关节位移幅值和收敛率的设计参数，θi(0)表示目标冗余度机械臂i的初始关节角；表示目标冗余度机械臂i的关节角上下限；表示目标冗余度机械臂i的关节速度上下限，表示目标冗余度机械臂i的关节加速度上下限。6.一种多冗余度机械臂系统的协同控制装置，其特征在于，所述多冗...

【专利技术属性】
技术研发人员：金龙，李帅，
申请(专利权)人：香港理工大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44