[发明专利]一种移动操作机器人的零空间运动分配方法

说明书

本发明公开了一种移动操作机器人的零空间运动分配方法，首先建立零空间控制力矩加权优化目标函数，协调考虑达到零空间期望力矩与实现零空间力矩分配的多目标优化关系；其次建立零空间控制力矩加权优化约束条件，避免优化后的零空间力矩干扰任务空间控制；最终建立零空间控制力矩的加权控制律，通过建立调整零空间权重矩阵，得到不同的零空间力矩分配结果。本发明除了能够实现移动底盘和机械臂不同比例的耦合运动分配外，还能够实现零空间加权优化控制力矩在移动底盘和机械臂的完全解耦分配，在零空间实现解耦的移动底盘和机械臂的运动控制。

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及移动操作机器人的运动分配方法。

背景技术

移动操作机器人由机械臂和移动底盘组成，兼具移动和操作能力，是实现人机共融愿景的重要载体。一般来说，移动操作机器人的自由度要比任务空间要求的自由度多，移动操作机器人的冗余自由度既为机器人实现灵活运动提供了可能也给其控制技术带来了挑战。具有冗余自由度意味着不仅要在任务空间实施控制，同时需要在任务空间的零空间施加控制效果，通过零空间优化控制可以辅助机器人更好地执行任务空间的操作。由于机械臂自身的工作空间有限，在一些应用中，需要基于移动操作机器人整体建模技术，实现机械臂和移动底盘的耦合控制，通过移动底盘的耦合运动扩展机械臂的工作空间。而在另外一些机械臂自身工作空间能够满足的应用中，对运动精度和响应速度有较高要求，需要实现机械臂与移动底盘的解耦控制，以避免移动底盘低运动精度和低响应速度对机械臂执行操作任务的影响。因此，对于移动操作机器人，将机械臂和移动底盘的耦合和解耦控制在统一的控制框架下实现是一个需要解决的问题。目前基于整体建模的移动操作机器人控制技术，已经可以实现两者的耦合控制，而对于解耦控制，只能基于加权思想在任务空间实现两者运动的解耦，在零空间无法实现。

发明内容

为了克服上述现有技术不足，本发明提出一种移动操作机器人的零空间运动分配方法，在零空间实现解耦的移动底盘和机械臂的运动控制。

本发明通过以下技术方案予以实现：

移动操作机器人的零空间运动分配方法，包括以下步骤：

步骤1、建立零空间控制力矩加权优化目标函数；

步骤2、建立零空间控制力矩加权优化约束条件；

步骤3、建立零空间控制力矩的加权控制律；

步骤4、建立零空间权重矩阵，得到力矩分配结果。

进一步的，步骤1中，建立的零空间控制力矩加权优化目标函数为：

式中，τ_n为优化后的零空间控制力矩，τ₀为零空间期望力矩，为移动操作机器人关节空间惯量矩阵,M_v为移动底盘惯量矩阵，M_r为机械臂惯量矩阵，W_n为零空间权重矩阵。

进一步的，步骤2中，建立的零空间控制力矩加权优化约束条件为：

式中，为移动操作机器人整体雅克比矩阵，J_v为移动底盘雅克比矩阵，J_r为机械臂雅克比矩阵。

进一步的，步骤3中,建立的零空间控制力矩的加权控制律为：

式中，I_w＝I+W_nM^-1W_nM^-1，I为单位矩阵。

进一步的，步骤4中，建立的零空间权重矩阵为