一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，首先设定双臂空间机器人系统的三个任务，并且设定优先级顺序；随后构建双臂空间机器人的运动学模型，依据模型构建双臂空间机器人逆运动学方程并根据任务1和任务2求得逆解；构建避障算法并设计零空间自适应投影算子系数实现任务3，最后构建闭环运动学控制器，实现机械臂末端相对运动以及主机械臂位置跟踪误差收敛。本发明专利技术考虑基座与机械臂之间的耦合，并设计了基于混合任务优先级的控制器，可以使得双臂空间机器人可以同时执行多个冲突任务而且可以提高系统的控制性能，以保证在障碍环境下，双臂空间机器人能够实现主臂末端的轨迹跟踪和双臂末端的协调控制。调控制。调控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法


[0001]本专利技术属于空间机器人控制领域，特别是一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法。

技术介绍

[0002]随着太空探索的不断深入，空间机器人代替宇航员执行危险操作已经是必然趋势，各国都大力开展研究。相较于单臂空间机器人，双臂空间机器人的工作灵活性更高、可操作性更强，控制难度相应也更高。不同于固定基座的机器人，在微重力环境下自由漂浮空间机器人存在多重动力学耦合，机械臂的运动会对空间机器人漂浮基产生扰动，反之，基座的运动也会影响机械臂末端操作的稳定性和准确性。因此，双臂空间机器人协调一直是空间机器人研究难点之一。
[0003]除了末端控制要求，空间机器人在运动过程中会遇到碎片等太空垃圾，机械臂的运动范围受到限制，若运动过程中无法避开障碍物，将对机械臂造成损害。针对机械臂多任务要求，目前常用的控制方法为：扩展任务法和任务优先级法。然而，前者易导致系统奇异；后者易导致低级任务的失效。因此，规划好多个冲突任务的优先级，考虑基座与机械臂在运动过程中的耦合影响，设计好合理的控制方法是非常重要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术所解决的技术问题在于提供一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，以保证在障碍环境下，双臂空间机器人能够实现主臂末端的轨迹跟踪和双臂末端的协调控制。
[0005]实现本专利技术的技术方案为：一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：设定双臂空间机器人系统的三个任务，并且设定优先级从高到低的顺序依次为：任务1：双臂末端的协调运动；任务2：主臂末端的轨迹跟踪以及任务3：避障；
[0007]步骤2：根据基座与机械臂的耦合作用，构建双臂空间机器人的运动学模型；
[0008]步骤3：构建双臂空间机器人逆运动学方程，根据主臂末端任务和双臂末端相对任务要求，求得双臂空间机器人运动学逆解；
[0009]步骤4：构建基于梯度投影法的避障算法；
[0010]步骤5：设计零空间自适应投影算子系数，保证任务之间的切换连续并且保证高优先级任务的执行顺序；
[0011]步骤6：构建闭环运动学控制器，实现机械臂末端相对运动以及主机械臂位置跟踪误差收敛。
[0012]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0013](1)考虑基座与机械臂之间的耦合，利用改进的雅克比矩阵建立双臂空间机器人的运动学模型，从而获得机械臂末端的相对位置和姿态；
[0014](2)采用了基于混合任务优先级的控制器，不仅可以使得双臂空间机器人可以同时执行多个冲突任务而且可以提高系统的控制性能；
[0015](3)采用了双曲正切函数作为零空间投影算子的系数，使得低级任务可以实现连续切换；
[0016](4)改进了基于自适应变阻尼因子的阻尼最小二乘法，用于求取雅克比矩阵的逆解，可以避免算法奇异。
[0017]下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的双臂空间机器人系统协调控制方法框图。
[0019]图2为本专利技术的双臂空间机器人系统结构示意图。
[0020]图3为本专利技术的实施例中三连杆平面双臂空间机器人的初始结构示意图。
[0021]图4为本专利技术的实施例中三连杆平面双臂空间机器人的最终结构示意图。
[0022]图5为本专利技术的实施例中投影算子系数仿真示意图。
[0023]图6为本专利技术的实施例中基座的位置和角度仿真结果图。
[0024]图7为本专利技术的实施例中左臂和右臂连杆角度仿真结果图。
[0025]图8为本专利技术的实施例中双臂空间机器人系统与障碍物的最短距离仿真结果图。
[0026]图9为本专利技术的实施例中双臂末端相对位置误差仿真结果示意图。
[0027]图10为本专利技术的实施例中双臂空间机器人系统左臂末端位置跟踪误差仿真示意图。
具体实施方式
[0028]一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，包括以下步骤：
[0029]步骤1：设定双臂空间机器人系统的三个任务，并且设定优先级从高到低的顺序依次为：任务1：双臂末端的协调运动；任务2：主臂末端的轨迹跟踪以及任务3：避障；
[0030]步骤2：根据基座与机械臂的耦合作用，构建双臂空间机器人的运动学模型，具体包含以下步骤：
[0031]步骤2
‑
1：确定双臂空间机器人系统的质心：
[0032][0033]其中，r0为惯性坐标系下机器人基座质心的位置；n
a
，n
b
分别为机器人A臂、 B臂连杆的个数；m0为基座的质量；
a
m
k
，
b
m
k
分别为A臂、B臂第k个连杆的质量；M为系统的总质量，
a
r
k
为惯性坐标系下A臂第k 个连杆质心的位置；
b
r
k
为惯性坐标系下B臂第k个连杆质心的位置；r
g
为惯性坐标系下系统质心的位置；
[0034]优选的，将所述惯性坐标系原点建立在双臂空间机器人系统的质心上，则 r
g
＝0，基座位置r0为
[0035][0036]步骤2
‑
2：确定双臂空间机器人基矢量：
[0037]基座的基矢量为e0＝[cosθ0,sinθ0]T
；
[0038]A臂第k个连杆的基矢量分别为
[0039]B臂第k个连杆的基矢量分别为
[0040]其中，θ0为基座的角度，
a
θ
i
为A臂第i个连杆的角度，
b
θ
i
为B臂第i个连杆的角度；
[0041]步骤2
‑
3：确定两只机械臂末端的位置分别为：
[0042][0043][0044]其中，其中，a0为基座长度l0的一半；
a
l
k
、
b
l
k
分别为A臂、B臂第k个连杆的长度；
[0045]步骤2
‑
4：确定主臂的末端速度，设置A臂为主臂，则A臂末端的速度为：
[0046][0047]其中，
a
v
e
为A臂末端的速度，
a
J为A臂的雅克比矩阵，
a
θ、分别为A 臂的n
a
个连杆的角度、角速度向量，
b
θ、为B臂的n
b
个连杆的角度、角速度向量；θ＝[θ0,
a
θ
T
,
b
θ
T
]T
为系统的角度向量，为系统的角速度向量；
[0048]步骤2
‑
5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设定双臂空间机器人系统的三个任务，并且设定优先级从高到低的顺序依次为：任务1：双臂末端的协调运动；任务2：主臂末端的轨迹跟踪以及任务3：避障；步骤2：根据基座与机械臂的耦合作用，构建双臂空间机器人的运动学模型；步骤3：构建双臂空间机器人逆运动学方程，根据主臂末端任务和双臂末端相对任务要求，求得双臂空间机器人运动学逆解；步骤4：构建基于梯度投影法的避障算法；步骤5：设计零空间自适应投影算子系数，保证任务之间的切换连续并且保证高优先级任务的执行顺序；步骤6：构建闭环运动学控制器，实现机械臂末端相对运动以及主机械臂位置跟踪误差收敛。2.根据权利要求1所述的基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，其特征在于，步骤2中所述构建双臂空间机器人的运动学模型具体包括以下步骤：步骤2
‑
1：确定双臂空间机器人系统的质心：其中，r0为惯性坐标系下机器人基座质心的位置；n
a
，n
b
分别为机器人A臂、B臂连杆的个数；m0为基座的质量；
a
m
k
，
b
m
k
分别为A臂、B臂第k个连杆的质量；M为系统的总质量，
a
r
k
为惯性坐标系下A臂第k个连杆质心的位置；
b
r
k
为惯性坐标系下B臂第k个连杆质心的位置；r
g
为惯性坐标系下系统质心的位置；步骤2
‑
2：确定双臂空间机器人基矢量：基座的基矢量为e0＝[cosθ0,sinθ0]
T
；A臂第k个连杆的基矢量分别为B臂第k个连杆的基矢量分别为其中，θ0为基座的角度，
a
θ
i
为A臂第i个连杆的角度，
b
θ
i
为B臂第i个连杆的角度；步骤2
‑
3：确定两只机械臂末端的位置分别为：确定两只机械臂末端的位置分别为：其中，其中，a0为基座长度l0的一半；
a
l
k
、
b
l
k
分别为A臂、B臂第k个连杆的长度；
步骤2
‑
4：确定主臂的末端速度，设置A臂为主臂，则A臂末端的速度为：其中，
a
v
e
为A臂末端的速度，
a
J为A臂的雅克比矩阵，
a
θ、分别为A臂的n
a
个连杆的角度、角速度向量，
b
θ、为B臂的n
b
个连杆的角度、角速度向量；θ＝[θ0,
a
θ
T
,
b
θ
T
]
T
为系统的角度向量，为系统的角速度向量；步骤2
‑
5：确定双臂空间机器人系统的相对雅克比矩阵J
R
：其中，是A臂末端的坐标系{A
b
}相对于A臂第一个关节所在坐标系{A
e
}的旋转矩阵；是B臂末端坐标系{B
b
}相对于坐标系{A
e
}的旋转矩阵；步骤2
‑
6：确定双臂空间机器人系统的运动学方程：主臂的运动学方程为：双臂末端的相对运动学方程为：3.根据权利要求2所述的基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，其特征在于，将所述惯性坐标系原点建立在双臂空间机器人系统的质心上，则r
g
＝0，基座位置r0为4.根据权利要求1所述的基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，其特征在于，步骤3中所述求得双臂空间机器人系统运动学逆解具体包含以下步骤：步骤3
‑
1：设计自适应阻尼因子λ：其中，ε＞0，为最小奇异边界值，λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪梦情，丁萌，郭毓，刘辽雪，朱锐，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：