[发明专利]空间机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了空间机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制系统及控制方法。属于机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制技术领域，能控制机械手的平衡。包括机械手和控制机械手的控制台；所述机械手包括机械臂、安装座、竖直柱、输出抓手和竖直气缸；机械臂包括竖直升降移动台、臂段一、臂段二、臂段三和臂段四；在竖直柱的左表面上设有竖直轨道，竖直升降移动台上下竖直滑动设置在竖直轨道上；竖直柱的下端固定连接在安装座的上表面上，竖直气缸的缸座固定连接在位于竖直轨道左方的安装座的上表面上，竖直气缸的伸缩杆上端固定连接在竖直升降移动台的下表面上；竖直升降移动台能在竖直气缸的伸缩杆的带动下可沿着竖直轨道上下运动，形成第一自由度。

技术领域

本发明涉及机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制技术领域，尤其涉及空间机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制系统及控制方法。

背景技术

目前工业机器人采用的控制方法是把机械手上每一个关节都当作一个单独的伺服机构，即每个轴对应一个伺服器，每个伺服器通过总线控制，由控制器统一控制并协调工作；

六个自由度的机械臂是具有完成空间定位能力最小自由度数的机械臂，多于六个自由度的机械臂统一称为冗余机械臂；

现在机械手的机械臂阻抗控制方法在不同层次结构下不能实现期望的阻抗控制任务，因此，设计一种能在不同层次结构下可使机械手的冗余机械臂实现期望的阻抗控制任务的方法显得非常必要。

发明内容

本发明是为了解决现有机械臂阻抗控制方法在不同层次结构下不能实现期望的阻抗控制任务的不足，提供一种一是能控制机械手的平衡，二是能在不同层次结构下可使机械手的冗余机械臂实现期望的阻抗控制任务的空间机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制系统及控制方法。

以上技术问题是通过下列技术方案解决的：

一种空间机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制方法，包括如下步骤：

步骤1、建立冗余机械臂运动学模型，并给出冗余机械臂零空间向量的梯度方向策略；

步骤2、建立通过奇异鲁棒解得出消除奇异性算法的任务优先级解决策略；

步骤3、建立奇异鲁棒解逆运动学分析模型；

步骤4、建立多任务冗余机械臂的逆优先控制策略；

步骤5、对具有主要任务和次要任务的冗余机械臂的反向控制方程进行简化处理；

步骤6、建立机械手的逆优先力控制策略；

步骤7、采用关节速度来解决机械手逆优先阻抗控制中的外力与关节加速度之间的关系，从而得到机械手的逆优先阻抗控制保证；

步骤8、将位置控制空间的逆优先计算扩展到力控制空间的逆优先计算，从而获得机械手速度级逆优先阻抗控制的总体框架。

本方案冗余机械臂在关节空间中的运动是按照相反的顺序导出的；然后将笛卡尔阻抗控制与逆优先阻抗控制相结合，解决了逆分层阻抗控制问题，将笛卡尔阻抗控制行为分为高优先阻抗控制和低优先阻抗控制。其中高优先阻抗控制任务不会干扰低优先阻抗控制任务，关节空间中的运动按相反的顺序会受到影响，要在相应的投影算子中工作；最后实现了高优先阻抗控制任务，避免了低优先阻抗控制任务中可能出现的奇异性引起的变形。因此，所提出的逆优先阻抗控制方法可使冗余机械臂在适当的层次结构下实现期望的阻抗控制任务。

作为优选，建立冗余机械臂运动学模型，并给出冗余机械臂零空间向量的梯度方向策略实现过程如下：

定义末端执行器在笛卡尔空间的位姿、速度分别为x、其关节空间的角位置、角速度分别为q、J为n自由度机器人的雅可比矩阵，其中x∈Rⁿ，J∈R^mn；冗余自由度机械臂的正运动学方程可用下式描述：