[发明专利]一种四自由度机械臂视觉伺服控制方法

说明书

本发明公开了一种四自由度机械臂视觉伺服控制方法，能够运动控制过程中低重力环境下柔性机械臂高精度定位控制问题，实现无人自主定位。该方法包括如下步骤：首先将机械臂的整臂模式设置为视觉伺服模式，在每个视觉伺服模式的控制周期内均判断视觉测量位姿数据是否有效，若连续多个周期无效，则机械臂停止运动，整臂模式转换为伺服待机模式，关节控制模式转换为位置伺服模式。在每个视觉伺服模式的控制周期内，若视觉测量位姿数据有效，关节控制模式处于速度控制模式，计算并输出规划的末端四维速度VW_POR；然后通过运动学逆解求得规划关节角速度和规划关节角位置，并作为控制指令进行输出，用于控制关节在下一控制周期的角速度和角位置。

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种四自由度机械臂视觉伺服控制方法，用于低重力环境下柔性机械臂高精度定位控制工况。

背景技术

视觉伺服控制方法是机械臂运动控制器内的主要控制模式之一，用来实现机械臂针对合作目标的任务自主路径规划计算功能。它集成了机械臂运动学逆解、视觉伺服测量、轨迹规划控制等内容。

行星样品采集装置往往需要既能适应较大的采样范围，又要实现采集样品的精确转移，且整个装置有严格的重量限制，这使得采样装置往往采用由细长形状的臂杆、关节及末端采样器串联组成的机械臂。此种机械臂具有重量轻、驱动力小、耗能低、速度快等诸多优点。但因为机械臂柔性较大，尤其是当末端采样器较重或抓取样品容器时，机械臂在运动时会产生振动，且在行星重力作用下，机械臂末端位置会有较大的偏差。

因此，针对行星表面采样机械臂控制系统，如何提高其末端跟踪与定位精度是亟待解决的问题、

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种四自由度机械臂视觉伺服控制方法，能够运动控制过程中低重力环境下柔性机械臂高精度定位控制问题，实现无人自主定位。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种四自由度机械臂视觉伺服控制方法，四自由度机械臂包含四个关节，机械臂的臂上设有臂上相机，机械臂的末端设有末端相机；针对四自由度机械臂的视觉伺服控制方法，具体为：

首先将机械臂的整臂模式设置为视觉伺服模式，在每个视觉伺服模式的控制周期内均判断视觉测量位姿数据是否有效，若视觉测量位姿数据连续多个周期无效，则机械臂停止运动，整臂模式转换为伺服待机模式，关节控制模式转换为位置伺服模式。

在每个视觉伺服模式的控制周期内，判断视觉测量位姿数据是否有效，若视觉测量位姿数据有效，选取有效的视觉测量位姿数据，整臂控制器下发关节控制模式切换指令，使得关节控制模式处于速度控制模式，采用如步骤(1)～步骤(5)的方式计算并输出规划的末端四维速度VW_POR；然后通过运动学逆解求得规划关节角速度和规划关节角位置，并作为控制指令进行输出，用于控制关节在下一控制周期的角速度和角位置。

视觉伺服模式中的步骤(1)～步骤(5)具体为：

步骤(1)由臂上相机或者末端相机获取视觉测量位姿数据。

步骤(2)机械臂压紧构型下测量得到臂上相机的相机坐标系与末端坐标系的位置关系向量和姿态关系矩阵，以及末端相机的相机坐标系与末端坐标系的位置关系向量为和姿态关系矩阵。

步骤(3)将视觉测量位姿数据下的最终到位终止点位姿转换到末端坐标系下，得到末端坐标系下的最终到位终止运动点位姿EndPE_des。

步骤(4)进行运动跟踪，计算末端偏差包括位置差和姿态差，规划末端线速度Vez和末端角速度Wez，其中末端线速度Vez为三维向量，由末端综合线速度分配到末端坐标系的三个轴向的分量组成；则得到规划的末端四维速度VW_POR；VW_POR(1:3)＝Vez；VW_POR(4)＝Wez。

步骤(5)判断末端偏差是否超出给定阈值，若是则跳出视觉伺服模式，输出规划的末端四维速度VW_POR；否则继续执行步骤(1)～(5)。