【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及機(jī)器人控制，更具體的說是涉及一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法及機(jī)器人。
技術(shù)介紹
1、仿壁虎機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景，它能夠進(jìn)入狹小的空間搜救被困人員；在建筑施工中，可以代替人工進(jìn)行高空作業(yè)，大幅提升工作效率和安全性；在工業(yè)中，可用于工業(yè)設(shè)備的維護(hù)和檢查，實(shí)現(xiàn)定期檢查而無需人工干預(yù)。這些應(yīng)用場景展示了仿壁虎機(jī)器人對人類的幫助和重要價(jià)值。
2、但是，大多數(shù)仿壁虎機(jī)器人的研究集中在執(zhí)行器的開發(fā)與應(yīng)用上，以適應(yīng)不同表面并實(shí)現(xiàn)可靠的黏脫附，在仿壁虎機(jī)器人的運(yùn)動過程中，其機(jī)身不可避免地會受到振動的影響。這些振動可能源于機(jī)器人與運(yùn)動表面的相互作用，比如在粗糙表面爬行時(shí)的顛簸，或者在執(zhí)行一些復(fù)雜動作時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力變化。振動問題如果不加以有效控制，可能會導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動的不穩(wěn)定，影響其吸附效果，甚至可能損壞機(jī)器人內(nèi)部的精密部件，降低機(jī)器人的使用壽命和工作可靠性。
3、因此，如何提供一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法及機(jī)器人，改善機(jī)身受力情況，提高機(jī)體抗振效率，使用柔性方式抵抗振動，增強(qiáng)運(yùn)動的可靠性是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法及機(jī)器人，基于多自由度彈簧模型的機(jī)身減振控制理論，旨在改善機(jī)身受力情況，提高機(jī)體抗振效率，使用柔性方式抵抗振動，增強(qiáng)運(yùn)動的可靠性。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，包括：p>
3、獲取機(jī)器人的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，并設(shè)定期望位置；
4、根據(jù)所述初始狀態(tài)數(shù)據(jù)和所述期望位置，建立機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，計(jì)算得到機(jī)器人質(zhì)心所受的合力；
5、基于所述合力和虛擬牽引力計(jì)算外部合力，構(gòu)建自適應(yīng)抑振控制器，通過調(diào)節(jié)自適應(yīng)抑振控制器內(nèi)的剛度矩陣，控制機(jī)器人在外部合力以及虛擬牽引力下的運(yùn)動。
6、優(yōu)選的，機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu)采用對稱設(shè)計(jì)，每條腿的關(guān)節(jié)配置相同；
7、選擇其中一條腿建立單腿運(yùn)動學(xué)模型，基于機(jī)身坐標(biāo)系做對稱變換得到其他腿的運(yùn)動學(xué)模型，得到機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型。
8、優(yōu)選的，計(jì)算得到機(jī)器人質(zhì)心所受的合力，包括：
9、根據(jù)d-h方法，對機(jī)器人任一單腿的各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系進(jìn)行分析，得到d-h參數(shù)表；
10、根據(jù)期望位置計(jì)算末端執(zhí)行器坐標(biāo)系與機(jī)身坐標(biāo)系間的變換矩陣，得到機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解；
11、采用逆變換法計(jì)算得到機(jī)器人運(yùn)動的關(guān)節(jié)角度；
12、根據(jù)雅可比矩陣計(jì)算機(jī)器人任一單腿的末端受力，得到機(jī)器人質(zhì)心所受的合力。
13、優(yōu)選的，基于拉格朗日方程構(gòu)建自適應(yīng)抑振控制器，表示為：
14、
15、式中，表示機(jī)器人加速度矢量，m表示機(jī)器人固有慣性矩陣，ke表示彈簧剛度矩陣，a為虛擬彈簧伸長量偏導(dǎo)矩陣，fext為外部合力；
16、其中，
17、
18、
19、式中，k1,k2,k3,k4分別代表左前腿，右前腿，左后腿，右后腿的虛擬剛度；δli表示的是虛擬彈簧的伸長量；x，y，z是機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)，α,β,γ是機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的與初始姿態(tài)相比的偏轉(zhuǎn)角度。fvar為外部廣義力作用在質(zhì)心的合力，fq表示維持恒定速度的虛擬牽引力，m表示機(jī)器人自身質(zhì)量，ixx，iyy,izz表示機(jī)身慣量。
20、優(yōu)選的，機(jī)器人的腿部都包括彈簧，機(jī)器人靜止時(shí)的彈簧長度為機(jī)器人腿部彈簧原長。
21、優(yōu)選的，維持恒定速度的虛擬牽引力fq表示為：
22、
23、其中，xerr＝xcur-x,xerr＝xcur-x,
24、式中，xerr表示當(dāng)前時(shí)刻的位置差值，表示當(dāng)前時(shí)刻的速度差值；xcur表示傳感器獲取的實(shí)際位置，表示傳感器獲取的實(shí)際速度，表示腿部末端期望速度；x表示腿部末端期望位置，k表示剛度參數(shù)和d表示阻尼參數(shù)。
25、優(yōu)選的，彈簧伸長量的三維矢量δl由下公式計(jì)算得到：δl＝[xf,yf,zf]t-(rz(γ-γ0)ry(β-β0)rx(α-α0)[l/2,-w/2,0]t+[x-x0,y-y0,z-z0]t)；
26、其中，l和w分別是機(jī)器人機(jī)身的長和寬，rx(θ),ry(θ),rz(θ)是繞某一坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)θ度的旋轉(zhuǎn)矩陣，[xf,yf,zf]t表示任一單腿末端在運(yùn)動平面上的點(diǎn)坐標(biāo)；[x0,y0,z0,α0,β0,γ0]t表示機(jī)器人在世界坐標(biāo)系中的初始狀態(tài)，x，y，z是機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)，α,β,γ是機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的與初始姿態(tài)相比的偏轉(zhuǎn)角度。
27、優(yōu)選的，根據(jù)d-h參數(shù)表，計(jì)算得到運(yùn)動學(xué)正解為：
28、
29、其中，l1,l2,l3表示另外三條腿的腿部長度，si＝sinθi，ci＝cosθi，sij＝sin(θi+θj)，cij＝cos(θi+θj),依次類推；θi表示關(guān)節(jié)i的轉(zhuǎn)動角度；
30、表示任一單腿末端在世界坐標(biāo)系下的期望位置；
31、采用逆變換法計(jì)算得到機(jī)器人運(yùn)動的關(guān)節(jié)角度，包括：
32、
33、其中，
34、
35、優(yōu)選的，根據(jù)力矩與末端力轉(zhuǎn)換公式得到任一單腿的末端受力：
36、f＝(j(θ)t)+τ；
37、其中，τ∈rn×1為關(guān)節(jié)力矩矩陣，n為關(guān)節(jié)數(shù)量，f∈r3×1為末端三維受力，j(θ)為雅可比矩陣；
38、得到機(jī)器人質(zhì)心所受的合力表示為：fb＝∑fi,i∈1～4。
39、優(yōu)選的，一種機(jī)器人，包括：機(jī)身和腿部，所述腿部對稱安裝在所述機(jī)身兩側(cè)。
40、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)公開提供了一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法及機(jī)器人，包括：獲取機(jī)器人的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，并設(shè)定期望位置；根據(jù)所述初始狀態(tài)數(shù)據(jù)和所述期望位置，建立機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，計(jì)算得到機(jī)器人質(zhì)心所受的合力；基于所述合力和虛擬牽引力計(jì)算外部合力，構(gòu)建自適應(yīng)抑振控制器，通過調(diào)節(jié)自適應(yīng)抑振控制器內(nèi)的剛度矩陣，控制機(jī)器人在外部合力以及虛擬牽引力下的運(yùn)動。本專利技術(shù)具有克服平面復(fù)雜振動困難，實(shí)現(xiàn)對多自由度爬壁機(jī)器人的高精度控制的優(yōu)點(diǎn)。
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1.一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu)采用對稱設(shè)計(jì)，每條腿的關(guān)節(jié)配置相同；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，計(jì)算得到機(jī)器人質(zhì)心所受的合力，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，基于拉格朗日方程構(gòu)建自適應(yīng)抑振控制器，表示為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，機(jī)器人的腿部包括彈簧，機(jī)器人靜止時(shí)的彈簧長度為機(jī)器人腿部彈簧原長。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，維持恒定速度的虛擬牽引力fq表示為：
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，彈簧伸長量的三維矢量δl由下公式計(jì)算得到：δl＝[xf,yf,zf]T-(Rz(γ-γ0)Ry(β-β0)Rx(α-α0)[L/2,-W/2,0]T+[x-
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，根據(jù)D-H參數(shù)表，計(jì)算得到運(yùn)動學(xué)正解為：
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，根據(jù)力矩與末端力轉(zhuǎn)換公式得到任一單腿的末端受力：
10.一種機(jī)器人，應(yīng)用權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，包括：機(jī)身和腿部，所述腿部對稱安裝在所述機(jī)身兩側(cè)。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu)采用對稱設(shè)計(jì)，每條腿的關(guān)節(jié)配置相同；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，計(jì)算得到機(jī)器人質(zhì)心所受的合力，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，基于拉格朗日方程構(gòu)建自適應(yīng)抑振控制器，表示為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，機(jī)器人的腿部包括彈簧，機(jī)器人靜止時(shí)的彈簧長度為機(jī)器人腿部彈簧原長。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多自由度機(jī)器人的自適應(yīng)抑振控制方法，其特征在于，維持恒定速度的虛擬...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王周義，吳旭，王炳誠，張偉龍，張李，戴振東，
申請(專利權(quán))人：南京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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