申请/专利权人：中国矿业大学

申请日：2023-10-27

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN117301064B

主分类号：B25J9/16

分类号：B25J9/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2024.01.16#实质审查的生效;2023.12.29#公开

摘要：本发明公开了一种基于固定时间收敛的双臂机器人安全协同控制方法，属于双臂机器人控制领域。首先建立双臂机器人及其负载运动学模型和动力学模型，然后根据动力学模型基于固定时间收敛的滑模控制算法设计位置控制器，得到机械臂各关节控制力矩；再通过动力学模型和负载受力分析，计算双臂机器人左右臂末端夹持方向上的内力；设计内力控制器将内力误差转换为控制输出力，并将其转换为各关节力控制力矩，实现双臂机器人安全控制；最后将力和位置控制力矩叠加输入到动力学模型中，使双臂机器人实现位姿和夹持力的同步控制。其既可以保证双臂机器人对期望位姿的快速跟踪，又可以实现对双臂机器人夹持力的同步控制，最终完成双臂协同搬运任务。

主权项：1.一种基于固定时间收敛的双臂机器人安全协同控制方法，其特征在于，双臂机器人包括左右两个三关节机械臂，机械臂端部设有能够夹持的负载的末端执行器，同时考虑双臂机器人的左右臂对夹持的负载进行平动和转动控制实现夹持搬运操作；具体步骤如下：步骤1，基于几何方法建立双臂机器人协同搬运负载时的运动学模型，并运用拉格朗日方程建立双臂机器人的动力学模型；步骤2，根据双臂机器人协同搬运负载时的动力学模型，基于固定时间收敛的滑模控制算法设计关节位置控制器，得到左右臂各关节控制力矩以实现两机械臂高精度的轨迹跟踪控制；步骤3，通过双臂机器人协同搬运负载时的动力学模型和机械臂的负载受力分析，计算出双臂机器人左右臂末端执行器的夹持内力；步骤4，设计内力控制器对双臂机器人左右臂末端执行器的夹持内力进行实时控制以避免对搬运负载产生破坏，将夹持内力误差转换为左右两机械臂控制输出力，将控制输出力转换为双臂机器人各关节力控制力矩，避免左右机械臂协同作业失效，实现双臂机器人夹持力的安全控制；步骤5，采用力位混合控制，将内力控制器和关节位置控制器的控制力矩叠加输入到双臂机器人动力学模型中，实现双臂机器人位置与姿态和夹持力的同步控制；双臂机器人协同搬运负载时的运动学模型建立方法为：根据下式确定双臂机器人左右机械臂末端执行器与搬运的负载的质心关系为： 式中，xc,yc与分别为负载的质心位置坐标及负载的姿态，姿态通过角度描述；记d为负载长度的12，xa,ya与分别为左臂末端位置及姿态，对式1求导得到机器人左臂末端速度为： 式中，Jo,a为左臂的速度雅可比矩阵，字符上的原点为变量点，表示字符代表变量关于时间导数的阶数；同理，双臂机器人右臂末端速度为： 式中，xb,yb与为右臂末端位置及姿态，Jo,b为右臂末端速度雅可比矩阵，进而完成运动学模型建立；建立双臂机器人的动力学模型的方法如下：基于拉格朗日方程，得到负载的动力学方程如下所示： 式中，Mc∈R3×3代表机器人搬运的负载的质量惯性矩阵，Cc∈R3×3代表科氏力离心力矩阵，代表双臂机器人的速度雅可比矩阵，F＝[FaT,FbT]T∈R6×1代表被搬运物体对双臂机器人末端作用力,Fε代表负载动力学建模不确定项，与分别代表负载速度与加速度；在双臂机器人左右臂夹持负载的情况下，双臂机器人的动力学方程为： 式中，M＝diag[Ma,Mb]∈R6×6为双臂机器人惯性矩阵，M＝diag·代表以元素·为对角线元素的对角阵，τw＝[τw1T,τw2T]T∈R6×1表示机器人关节控制力矩，代表左右机械臂各个关节角加速度，N＝[N1T,N2T]T∈R6×1为科氏力离心力项，J＝diag[Ja,Jb]∈R6×6代表左右机械臂末端和其各个关节速度的雅可比矩阵，τd＝[τd1T,τd2T]T∈R6×1表示双臂机器人未建模项及外部扰动；结合联立式2、式3、式5得到双臂机器人-负载的动力学方程： 式中，Mx＝Mc+JoTJ-TMJ-1Jo为双臂机器人-负载的惯性矩阵，dx＝JoTJ-Tτd+Fε为双臂机器人-负载的总扰动，为双臂机器人-负载的科氏力离心力项；基于双臂机器人-负载动力学方程，利用滑模控制算法设计固定时间收敛的快速终端滑模控制，得到双臂机器人协同搬运的关节位置控制器方程：双臂机器人协同搬运的位置控制器方程如下式11、式12、式16所示：设计固定时间收敛滑模面，将跟踪误差e1为：e1＝Xc-Xcd7式中，Xcd为负载的期望位置与姿态；为实现跟踪误差e1具有固定时间收敛特性，设计如下形式滑模面函数： 式中，e为自然常数，其中a1为大于0小于1的常数，b1＞0、c1＞0且b1与c1均为偶数，对角阵Ke1＝diag[k1e11,k2e12,k3e13]，式中系数为自定义可调整的固定收敛时间，其中为大于1奇数，为大于1小于2的奇数，其中p1至p4为奇数，满足p1＞p2＞0与0＜p3＜p4，分别记与e2为速度跟踪误差，具体如下： 对式8进行求导，得到： 式中，与K'e1分别为与Ke1关于时间的导数；为实现滑模面固定时间收敛，Sσ满足其中k3、k4均为正常数，0＜σ3＜1，σ4＞1，设计内力控制器的控制力矩为τw＝τeq+τes+τdi，τeq、τes与τdi分别为理想控制律、鲁棒控制项和外部扰动估计项；理想控制律为： 式中，为中间函数，具体为：鲁棒控制项为： 式中，为自定义的固定收敛时间；根据式6可得： 式中，fd＝-Mx-1·dx，定义辅助变量V为： 式中，λ1＞0、λ2＞0、α0＞1；为对公式13中的扰动fd进行估计，以提高双臂机器人搬运负载的位置轨迹跟踪精度，设计扰动观测器形式如下： 式中，为扰动估计值，λ3与λ'为正常数，为上界的估计值，其自适应更新率为δ0＜0.01为正常数；综上所得，外部扰动估计项为： 利用滑模面函数实现机械臂轨迹跟踪误差固定时间收敛，利用设计的控制力矩τw保证滑模面固定时间收敛，最终实现双臂机器人在搬运负载时的轨迹跟踪精度具有有限时间收敛特性。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国矿业大学 一种基于固定时间收敛的双臂机器人安全协同控制方法

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