[发明专利]一种移动机械臂分散集中自主切换控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种基于移动机械臂的分散-集中自主切换控制方法。

背景技术

自二十世纪机械臂问世以来，机械臂得到了快速发展，并广泛用在了军事、工业和医疗等方面。随着各方面技术的进步，传统机械臂工作空间有限的缺点日益突出，使其已经无法满足各种较高的科技需求。由于移动机械臂拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，使得近几年来对于移动机械臂的研究成为了机器人领域中的热点。然而，又由于机械臂与可移动平台之间具有不同的动力学特性并存在强耦合问题，因此，移动机械臂的研究也是机器人领域中研究的难点问题之一。

移动机械臂由一个可移动平台和一个或多个机械臂组成，这一结构使得移动机械臂既具有可移动平台的移动性，又具有了机械臂的可操作性。目前，针对移动机械臂的研究主要分为两个方向：一是对可移动平台和机械臂两个子系统的分散控制研究；二是对可移动平台和机械臂作为一个整体集中控制。

由于对于移动机械臂的集中控制研究难度较大，存在动力学强耦合、运动学冗余、非完整约束限制等问题，因此，目前针对移动机械臂的研究大多停留在分散控制的研究（于振中,闫继宏,赵杰,陈志峰.9DOF全方位移动机械臂运动学及其控制系统研究.高技术通讯,2011年第21卷第1期）。分散控制是指将可移动平台和机械臂看作两个独立的子系统，忽略系统的动力学耦合，分别设计控制器来实现对两个子系统的控制。这种分散控制思想在国内外已经相对成熟，但是受其精度的影响，应用范围大打折扣。

针对移动机械臂分散控制所存在的不足，移动机械臂的集中控制思想应运而生（谭湘敏,赵冬斌,易建强,徐冬.全方位移动机械手运动控制I—建模与控制水.机械工程学报,2009年第45卷第1期）。它是将可移动平台和机械臂进行了整合，因此，它既拥有了可移动性，有拥有了可操作性。但是，在面对一个简单的任务时，这种集中控制所具有运动学冗余缺陷暴露出来，使得在完成任务时所付出的代价过大。

综上所述，现有针对移动机械臂的研究仍有以下问题：针对可移动平台和机械臂两个子系统之间存在的强耦合、运动学冗余等问题还有待进一步的研究；在面对复杂度不同的任务时，不能合适的选取分散控制还是集中控制，同时控制精度和实时性等性能指标也得不到保证。

因此，对于移动机械臂在其工作性能及两个子系统自主切换并协调的控制这两个方面还具有很高的研究价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中所存在的上述问题，提出一种移动机械臂分散集中自主切换控制方法，该方法能够针对不同的控制任务，在分散、集中控制之间选择一个合理的控制方案，保证在可移动平台和机械臂之间协调控制并保证任务的顺利完成，能够提高在未知外扰、环境时变、避障等不确定性因素影响下，移动机械臂的控制性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种移动机械臂分散集中自主切换控制方法，其特征在于主要包括以下步骤：

A：对移动机械臂建立世界坐标系和车载坐标系，获取移动机械臂的当前位姿；移动机械臂的当前位姿是依靠平台上的传感装置和建立的坐标系确定的；世界坐标系用于确定移动机械臂在世界坐标中的位置；车载坐标系用于确定移动机械臂在行进过程中由传感器测量出的物体相对于移动机械臂的位置；

B：由A步骤获取的移动机械臂的当前位姿，分别搭建分散控制模式和集中控制模式下移动机械臂的运动学模型和动力学模型，并根据搭建的运动学模型和动力学模型进行轨迹规划；

当采用分散控制模式时，对机械臂和可移动平台分别进行控制，包括对可移动平台的路径规划，并利用D-H方法对机械臂建立运动学模型，进而对机械臂进行轨迹规划；当采用集中控制模式时，首先通过对机械结构和运动特性的分析，建立整体系统的运动学模型，然后利用拉格朗日力学法建立动力学模型，并在此模型基础上对机械臂和可移动平台进行协调控制，最后，采用人工势函数方法驱使移动机械臂系统完成运动规划任务；

C：设计出分散集中自主切换控制器并根据分散集中自主切换控制器目标函数取值决定是否进行控制模式切换，如给定的任务比较复杂，利用分散集中自主切换控制器，实现在分散控制模式和集中控制模式之间的切换，之后以切换后的控制模式对移动机械臂进行控制，并驱动移动机械臂运动，最终完成既定任务；如给定的任务比较简单，不需要通过分散集中自主切换控制器切换控制模式来实现，则按B步骤原定的分散控制模式或集中控制模式继续对移动机械臂进行控制，最终完成既定任务。