一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法技術

一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法，鉆臂包括多個關節，關節處設置有用于驅動關節動作的執行器，方法包括：S1、確定鉆臂末端的速度約束條件，并且根據速度約束條件確定鑿巖機器人的關節動作規則，關節動作規則包括多個與關節相對應的子規則；S2、對關節動作規則進行優化，將狀態保持穩定的關節對應的子規則刪除得到優化關節動作規則；S3、根據速度約束條件和關節動作規則確定執行器動作速度；S4、根據執行器動作速度控制執行器動作，執行器動作過程中驅動關節動作進而帶動鉆臂末端運動。本發明專利技術能夠實現對鉆臂末端任意初始姿態的實時控制，適用于鉆臂任意初始姿態，并且不需要所有關節參與運算，減小實時控制器的計算壓力。的計算壓力。的計算壓力。

【技術實現步驟摘要】
一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法


[0001]本專利技術涉及鑿巖機器人領域，具體的說是一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法。

技術介紹

[0002]鑿巖機器人是隧道及地下工程采用鉆爆法施工的必備工具。鑿巖機器人工作時，需要按照由爆破工藝設計的掘進炮孔圖進行鉆制，機器人鉆臂根據控制信號平穩、快速地移動到目標孔位將直接影響到最終的施工速度，因此亟需研究機器人鉆臂的實時控制。
[0003]目前對機械臂末端的控制方法中，大多需要使機械臂在移動時末端姿態始終垂直于工作斷面，可實現對鉆臂末端的實時控制，減少機械臂干涉發生，但要求運動過程中鉆臂末端姿態始終垂直于工作面，不適用于鉆臂任意姿態的情況，靈活性有待提高。此外，現有的方法對鉆臂結構進行建模分析時需要基于機械臂逆運動學實現鉆臂移動過程中的自動調平，調平過程中需鉆臂所有關節參與計算，計算量較大。

技術實現思路

[0004]為了解決現有技術中的不足，本專利技術提供一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法，能夠實現對鉆臂末端任意初始姿態的實時控制，適用于鉆臂任意初始姿態，并且不需要所有關節參與運算，減小實時控制器的計算壓力。
[0005]為了實現上述目的，本專利技術采用的具體方案為：一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法，鉆臂包括多個關節，關節處設置有用于驅動關節動作的執行器，所述方法包括如下步驟：
[0006]S1、確定鉆臂末端的速度約束條件，并且根據速度約束條件確定鑿巖機器人的關節動作規則，關節動作規則包括多個與關節相對應的子規則；
[0007]S2、對關節動作規則進行優化，將狀態保持穩定的關節對應的子規則刪除得到優化關節動作規則；
[0008]S3、根據速度約束條件和關節動作規則確定執行器動作速度；
[0009]S4、根據執行器動作速度控制執行器動作，執行器動作過程中驅動關節動作進而帶動鉆臂末端運動。
[0010]作為上述基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法的進一步優化：鉆臂包括大臂擺動關節、大臂俯仰關節、大臂伸縮關節、梁翻轉關節、梁俯仰關節、梁擺動關節和梁伸縮關節，S1中，速度約束條件表示為x＝[v
x
,v
y
,v
z
,ω
x
,ω
y
,ω
z
]T
∈R6，其中v
x
,v
y
,v
z
表示末端線速度，ω
x
,ω
y
,ω
z
表示末端角速度，關節動作規則表示為x＝Jθ，其中J為雅可比矩陣，并且有i取1～6，θ為機械臂關節速度，并且有θ＝[v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7]T
∈R7，其中v
i
(i＝1～7)分別為大臂擺動關節、大臂俯仰關節、大臂伸縮關節、梁回轉關節、梁俯仰關節、梁擺動關節和梁伸縮關節的動作速度。
[0011]作為上述基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法的進一步優化：S2中，將狀態保護穩定的大臂伸縮關節、梁回轉關節和梁伸縮關節對應的子規則略去，得到優化關節動作規則θ＝J
?1x，即
[0012]作為上述基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法的進一步優化：所述執行器包括三角油缸、梁俯仰油缸和梁擺動油缸，其中三角油缸對應大臂擺動關節和大臂俯仰關節，梁俯仰油缸對應梁俯仰關節，梁擺動油缸對應梁擺動油缸，S3的具體方法為：S31、構建三角油缸模型和梁擺動油缸模型；S32、根據三角油缸模型、速度約束條件和優化關節動作規則求解出三角油缸的動作速度；S33、根據梁擺動油缸模型、速度約束條件和優化關節動作規則求解出梁擺動油缸的動作速度；S34、根據速度約束條件和優化關節動作規則確定梁俯仰油缸的動作速度。
[0013]有益效果：本專利技術利用雅可比矩陣建立機器人關節速度與末端廣義速度關系式，通過分析三角油缸和梁俯仰油缸的結構建立對應的模型，進而建立油缸伸縮速度與關節速度的函數關系，從而得到末端廣義速度與油缸伸縮速度的對應關系，實現對鉆臂末端任意初始姿態的實時控制，適用于鉆臂任意初始姿態，有利于提高鑿巖機器人整體的靈活性，并且不需要所有關節參與運算，減小實時控制器的計算壓力。
附圖說明
[0014]圖1是本專利技術的流程圖；圖2是三角油缸模型的示意圖；圖3是梁俯仰油缸模型的示意圖；圖4是仿真試驗中鉆臂關節速度的結果圖；圖5是仿真試驗中鉆臂關節角度的變化曲線圖；圖6是仿真試驗中鉆臂末端運動軌跡的結果圖；圖7是仿真試驗中鉆臂末端姿態偏差的結果圖。
具體實施方式
[0015]下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。
[0016]請參閱圖1，一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法，鉆臂包括多個關節，關節處設置有用于驅動關節動作的執行器，所述方法包括S1至S4。
[0017]S1、確定鉆臂末端的速度約束條件，并且根據速度約束條件確定鑿巖機器人的關
節動作規則，關節動作規則包括多個與關節相對應的子規則。鉆臂包括大臂擺動關節、大臂俯仰關節、大臂伸縮關節、梁翻轉關節、梁俯仰關節、梁擺動關節和梁伸縮關節，S1中，速度約束條件表示為x＝[v
x
,v
y
,v
z
,ω
x
,ω
y
,ω
z
]T∈R6，其中v
x
,v
y
,v
z
表示末端線速度，ω
x
,ω
y
,ω
z
表示末端角速度，關節動作規則表示為x＝Jθ，其中J為雅可比矩陣，并且有i取1～6，θ為機械臂關節速度，并且有θ＝[v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7]T
∈R7，其中v
i
(i＝1～7)分別為大臂擺動關節、大臂俯仰關節、大臂伸縮關節、梁回轉關節、梁俯仰關節、梁擺動關節和梁伸縮關節的動作速度。
[0018]S2、對關節動作規則進行優化，將狀態保持穩定的關節對應的子規則刪除得到優化關節動作規則。在實時控制鉆臂末端運動時，大臂伸縮關節、梁回轉關節和梁伸縮關節不參與運動，所以對應關節速度v3,v4,v7＝0，另一方面由于鉆臂調整過程中末端姿態保持不變，因此角速度ω
x
,ω
y
,ω
z
＝0。因為這些關節的狀態保持穩定，因此無需進行計算，從而能夠降低方法的復雜度。具體地說，S2中，將狀態保護穩定的大臂伸縮關節、梁回轉關節和梁伸縮關節對應的子規則略去，得到優化關節動作規則θ＝J
?1x，即通過優化關節動作規本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法，鉆臂包括多個關節，關節處設置有用于驅動關節動作的執行器，其特征在于，所述方法包括如下步驟：S1、確定鉆臂末端的速度約束條件，并且根據速度約束條件確定鑿巖機器人的關節動作規則，關節動作規則包括多個與關節相對應的子規則；S2、對關節動作規則進行優化，將狀態保持穩定的關節對應的子規則刪除得到優化關節動作規則；S3、根據速度約束條件和關節動作規則確定執行器動作速度；S4、根據執行器動作速度控制執行器動作，執行器動作過程中驅動關節動作進而帶動鉆臂末端運動。2.如權利要求1所述的一種基于末端姿態約束的鑿巖機器人鉆臂運動控制方法，其特征在于，鉆臂包括大臂擺動關節、大臂俯仰關節、大臂伸縮關節、梁翻轉關節、梁俯仰關節、梁擺動關節和梁伸縮關節，S1中，速度約束條件表示為其中v
x
,v
y
,v
z
表示末端線速度，ω
x
,ω
y
,ω
z
表示末端角速度，關節...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐巧玉，方夢娟，張正，王軍委，劉陽，
申請(專利權)人：洛陽銀杏科技有限公司，
類型：發明
國別省市：