一種仿人機器人手臂作業動態穩定控制方法
2023-06-02 16:33:51
專利名稱：一種仿人機器人手臂作業動態穩定控制方法
技術領域：
本發明涉及機器人作業穩定控制領域，特別地，涉及一種力/力矩約束最優分解動量的仿人機器人手臂 作業動態穩定控制方法。
背景技術：
開發出能完成指定作業任務的高智慧機器人一直以來是人類的一大夢想。經過多年來堅持不懈的努力，人類所創造出的仿人機器人已經初步實現了步行、奔跑、爬樓梯等腿部運動功能。隨著理論研究的深入和工程實踐的推進，機器人技術超著實現更加複雜運動的方向發展，其中就包括機器人手臂作業運動。然而不管是腿部行走，還是手臂作業，機器人的穩定控制方法一直是仿人機器人技術中的核心問題之一。最開始，機器人的穩定控制方法都是基於重心投影的靜態穩定控制方法。然而，1972年南斯拉夫學者Vukobratovic博士提出的ZMP (Zero-Moment Point)控制方法為機器人的動態穩定控制提供了基本的技術基礎。之後，ZMP控制方法在機器人動態步行方面的應用取得了巨大的成功，被應用於現今大部分機器人的步行穩定控制，其中包括著名的仿人機器人Asimo和HRP。Asimo採用的是綜合多種控制技術的模型ZMP步行穩定控制技術，而HRP則是採用帶有步行穩定器的線性倒立擺ZMP步行穩定控制技術。進入21世紀後，機器人手臂作業技術得到了快速的發展，湧現出一系列針對手臂作業的運動規劃和穩定控制技術。在穩定控制方面依次出現了動力學過濾器、自動平衡器以及軀幹軌跡補償等技術，其中動力學過濾器只見於仿真領域，未見實際應用報導；自動平衡器在仿人機器人H6上成功實現了手臂在桌底搜尋物體時軀體的重心投影穩定和慣性力矩約束，但是是一種靜態穩定，無法應用於要求高速動態穩定的場合；軀幹軌跡補償技術需要精確計算，並不可避免的涉及到大量循環計算，仿人機器人WABIAN —直致力於該技術的實現。為了實現更優越的穩定控制，在大量前期研究成果和技術積累的基礎上，日本產業技術綜合研究所shuuji Kajita教授於2003年公開提出了分解動量控制技術用於仿人機器人HRP-2遠程操作下的全身運動自治平衡穩定控制，之後幾年成功的實現了拾取地面物體的自治平衡，但是未見報導機器人手臂在更高作業速度下的自治平衡穩定控制。目前這一技術正在發展之中。機器人手臂動作的複雜性與機器人的穩定性一直是仿人機器人運動控制的一對矛盾，兩者很難同時兼顧。分解動量控制技術的出現使得機器人手臂慢速複雜的作業動作得以穩定的實現。但是當機器人手臂做高速複雜作業運動時，機器人的穩定性依舊難以保證，這主要體現在
I、全維(六維)分解動量控制幾乎不能實現。要達到機器人作業時的全面穩定，最好的方法是採用全維分解動量，但是在實際應用中發現全維分解動量控制得到的輔助臂關節角速度幾乎都出現超速問題，進而導致輔助臂關節角度超限，關節力矩不足，關節電機發熱等問題。
2、若僅做部分維數分解動量，則首先要確定最少需要幾維？是那幾維？那麼對於每種動作都要做先驗評估，而且執行不同動作都要切換到對應的維數。3、將動量分解到零是不必要的,也不是最佳的。首先,只要滿足ZMP條件，當動量不為零時也可以是穩定的，比如勻速飛馳的汽車動量明顯不為零，但是依舊是一種穩定的運動。其次，雖然將動量分解為零時穩定性是最強的，但是同時實現代價是最大的，甚至大到無法實現。
發明內容
本發明的目的在於針對現有分解動量控制技術在實際使用中的不足，提供一種既能實現高速複雜動作，又能保證全面穩定性的機器人手臂作業動態穩定控制方法。本發明的目的是通過以下方案來實現的一種仿人機器人手臂作業動態穩定控制方法，包括以下步驟 I.根據實際情況選定合適的採樣周期T ;
當今仿人機器人都是採用電子計算機離散化數字式採樣控制的，從理論上講採樣周期T越短對機器人的控制偏差越小，但是同時對電子計算機的性能要求越高。我們採用嵌入式高速計算機處理器，採樣周期T達到I毫秒，足夠實現對機器人的高速精密控制。2.將機器人姿態調零，通過傳感器確認機器人質心在地面上的投影大致位於地面支撐域的中心。3.根據動量公式計算機器人總動量
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其中，、分別是三維線動量巧和三維角動量&的簡寫；
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[I是計算得到的機器人六維總動量，三維線動量和三維角動量；
⑵，f分別是作業It和輔助It的雲力量:；
4，4分別是機器人作業臂和輔助臂七個關節角速度組成的七維向量；
M, H分別是線運動慣性矩陣和角運動慣性矩陣，用於組成慣性矩陣；
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^分別是作業臂和輔助臂七個關節對應的慣性矩陣。4.根據動量定理和穩定性指標得到地面作用力/力矩約束方程組以及為了便於計算機處理的離散化力/力矩約束方程組
權利要求
1.一種仿人機器人手臂作業動態穩定控制方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 (1)根據實際情況選定合適的採樣周期T； (2)將機器人姿態調零，通過傳感器確認機器人質心在地面上的投影大致位於地面支撐域的中心； (3)根據動量公式計算機器人總動量
全文摘要
本發明公開了一種仿人機器人手臂作業動態穩定控制方法，該方法通過輔助臂的最優分解動量運動實現機器人作業的動態穩定，保證機器人的全面穩定性不跳動、不傾倒、不滑動，自動附帶保證規劃出的輔助臂關節角速度不超限，依據物理原理通過嵌入式高速計算機精密控制和調整機器人的動態穩定性，計算精確，安全可靠，反應迅速，使得機器人作業臂執行高速大範圍複雜智能作業時能保持動態穩定，而且這種技術方案不針對特定的機器人結構，適應性廣。既實現了高速大範圍複雜作業，又能自主保持動態穩定。
文檔編號B25J13/00GK102672719SQ20121014300
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者吳俊 , 張大松, 熊蓉, 褚健 申請人:浙江大學