基于最优载荷分配的双臂机器人 协调运动在线控制算法

基于最优载荷分配的双臂机器人 协调运动在线控制算法

第19卷第1期

2001年3月海南大学学报自然科学版NATURALSCIENCEJOURNALOFHAINANUNIVERSITYVol.19No.1Mar.2001　

文章编号:1004-1729(2001)01-0032-05　　

基于最优载荷分配的双臂机器人

协调运动在线控制算法

陈安军1,(1.信阳师范学院应用物理系,河南信阳,湖南长沙410082)

摘　要:以牛顿—,,该算法

包括3,,二是在线载荷优化算法,三是逆动力学在线控制算法.

,而且以载荷的最小范数为目标函数,实现

,使在线控制算法更具应用价值.最后通过算例仿真验证算法的可行性.

:双臂机器人;协调运动;载荷分配;在线控制算法

中图分类号:TP24　　　文献标识码:A

　　双臂机器人的协调作业和两机器人的协调作业[1]类似,一般分为紧协调(工件与双臂末端夹持器间无相对运动,构成闭链系统)和松协调(双臂在某些点位上的协调,不构成闭链系统),协调(一般指紧协调)运动过程双臂与工件之间必须始终保持一定的约束关系,其动力学方程的耦合程度增加,实时在线控制难度增大.双臂的协调作业需实时在线计算关节广义驱动力(移动关节为驱动力,转动关节为驱动力矩),因此,动力学逆问题的在线计算尤为重要.目前解决开链机器人逆动力学问题常用的方法有2种,一是拉格朗日—欧拉(Lagrange—Euler)法,二

欧拉法计算量较是牛顿—欧拉(Newton—Euler)法.从实时在线控制的角度,由于拉格朗日—

大,且在已知机器人各杆件的位置、速度和加速度的条件下,并不能直接求出关节广义驱动力,因此,一般情况下该法不作为实时在线动力学控制算法;而牛顿—欧拉法的计算效率高,且计

[2～5]算任关节的广义驱动力非常有效,因此对该法的研究较多.Luh[2]等人提出递推形式的牛

顿—欧拉法,He和Goldenberg[3]利用增广体的概念对牛顿—欧拉法进行改进,进一步地提高计算效率.由于双臂协调作业构成闭链系统,以上算法并不能直接应用,一般采用切割铰(关节)的方法,从双臂末端夹持器与工件的接触处切开,将闭链的双臂机构转化为2个单臂机器人机构和工件,由于在接触处末端夹持器对工件的作用以力的形式存在,且该力一般不易确定,需借助工件的运动规律,这种由工件的运动确定末端夹持器在与工件接触处的受力问题称为载荷分配[6,7].载荷分配一旦解决,牛顿—欧拉法可直接应用.递推形式的牛顿—欧拉法是目前解决机器人逆动力学问题速度最快的串行算法之一,笔者着重研究该法在双臂机器人协调运动中的应用,并建立基于载荷最优分配的在线控制算法.

本文讨论基于以下条件:组成机器人的杆件为刚体,杆件间以单自由度的转动关节或移动关节连接,引入μi区分关节类型,当μi=1时,表示关节i为转动关节,当μi=0时,表示关节i为移动关节;机座固定不动,关节连接处无摩擦;以双臂搬运工件的协调作业为例讨论;采用收稿日期:2000-04-20

基金项目:河南省科委自然科学基金项目(964072200)

作者简介:陈安军(1962-),男,河南潢川人,信阳师范学院应用物理系副教授,硕士.

基于最优载荷分配的双臂机器人 协调运动在线控制算法

第1期　　　　　　陈安军等:基于最优载荷分配的双臂机器人协调运动在线控制算法33Denavit—Hartenberg方法建立与杆件固连的连体基.

1　基于最优载荷分配的在线控制算法

将双臂分为主臂(L)和从臂(F),设主臂由n个杆件构成,记为L1,L2,…,Ln,从臂由m个杆件构成,记为F1,F2,…,Fm.一般双臂均为运动冗余机构,即n>6,m>6.C,其质心为c.

1.1　在线运动学正向计算方法　双臂协调运动中,,组成闭链系统.通过工件质心的某一平面将工件切开[,机构中记为c,在从臂机构中记为c′.

对主臂而言,qi、广义速度q 广义加速度i、

q¨i(i=1,2,…,n).,为提高计算效率,将速度、,运动学在线正向递推公式

Aii-11μiBi),

1vi-1+ω iAii-1ri-1i+(1-μi)Aii-1B qi,

ω i-1B qi+Bq¨i=Aii-1[ωi-1+μi(ωi)],

iAii-1ri-1i+ωv=Aii-1 vi-1+ω iω iAii-1ri-1i+(1-μi)[2 qiω iAii-1B+Aii-1Bq¨i],

vci=vi+ω irici,

irici+ωaci= vi+ω iω irici,(1)(2)(3)(4)(5)(6)

ω式中,ωi、 角加速度矢量在其连体中的表示(投影);vi、vi分别为Li i分别为杆件Li的角速度、

连体基原点的速度、加速度矢量在其连体基中的表示;vci、aci分别为Li质心的速度、加速度矢量在其连体基中的表示;ri-1i为Li-1连体基原点到Li连体基原点的径矢在Li-1连体基中的表示;rici为Li连体基原点到质心ci的径矢在Li连体基中的表示;Aii-1为相邻基间的3×3转换矩阵,B=[0　0　1]T,ω i为由ωi组成的反对称矩阵(以下均以“～”表示),经递推运算(i=1,2,…,n),所确定工件的角速度、角加速度以c点的速度和加速度在质心基中的表示分别为ωc、ω vc、ac.c、

同理,由从臂的运动规划,通过(1)～(6)式的递推运算(i=1,2,…,m)确定工件相应的运

ω动学量在质心基中的表示分别为ωc、 vc、ac.c、

由于c和c′实际上重合,过c、c′两质心基也是重合的.因此,由主、从臂确定的工件的运动学量必然满足

ωc=ωc′,ω(7) ,vc=vc′,ac=ac′,c=ωc′

(7)式即为双臂协调运动应满足的运动学条件.此条件的直接作用是检验主、从臂运动学递推计算的正确性,而隐含的意义在于检验主、从臂的运动规划是否合理,因为规划的结果主、从臂关节 …… 此处隐藏：4752字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……