一种机械臂的控制方法与控制装置

1.本发明涉及机械臂技术领域，具体讲是一种机械臂的控制方法与控制装置。


背景技术：

2.机器人可以安装有多关节的机械臂，机械臂中每一关节可绕自身轴线进行转动，在机器人工作过程中，机器人可以获得机械臂末端的期望位姿数据，通过控制关节转动来调整机械臂的位姿，使得机械臂末端的位姿数据为所设置的期望位姿数据，从而实现对机械臂的控制。
3.现有装置还存在以下不足之处：
4.(1)在机械臂控制过程中，由于受端口开放权限的限制，通常难以实现对机械臂的精准控制，控制效率低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种机械臂的控制方法与控制装置，以解决上述背景技术中提出在机械臂控制过程中，由于受端口开放权限的限制，通常难以实现对机械臂的精准控制，控制效率低的问题。
6.本发明的技术方案是：包括有以下步骤：
7.步骤一：在机械臂的基座对应的基座坐标系下建立机械臂的正运动学模型；
8.步骤二、获取图像信息，获取机械臂末端在所述基座坐标系下的期望位姿数据,获取机械臂的当前实际速度和传感器采集的当前外力；
9.步骤三、根据图像信息，确定运行状态信息,根据当前外力，确定目标控制方向对应的目标外力；
10.步骤四、根据运行状态信息和预设的速度控制规则，确定出目标控制参数信息；目标控制参数信息用于指示对机械臂进行速度控制；
11.步骤五、基于预设静摩擦阻抗模型，根据所述目标虚拟静摩擦力、所述目标外力、预设质量参数、预设阻尼参数和预设弹簧参数进行阻抗控制；
12.步骤六、根据正运动学模型、第一关系以及期望位姿数据，计算对所述机械臂中各个关节进行转动的目标角度；
13.步骤七、控制各个关节按照对应的目标角度转动，以使得所述机械臂末端在基座坐标系下的位姿数据为所述期望位姿数据。
14.进一步的，所述运行状态信息包括位姿参数信息和目标状态信息，所述根据所述运行图像信息，确定出运行状态信息，包括：利用预设的位姿估计模型对所述运行图像信息进行处理，得到所述位姿参数信息，根据所述位姿参数信息，确定出所述目标状态信息。
15.进一步的，所述正运动学模型中所述机械臂各个关节相对于预设基准位置的转动角度为零，所述机械臂配置有六个关节，第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节通过连杆依次连接，所述第一关节的一端与所述机械臂基座相连，所述第六
关节的一端与所述机械臂末端相连，所述第二关节、第三关节以及第四关节的轴线平行。
16.所述第一关系按照以下表达式表示：
17.n＝n g＝|elia c(o)
18.其中，所述g为所述机械臂末端在所述基座坐标系下的位姿数据，所述n为所述机械臂中关节总数量，所述e为自然常数，所述为第n个关节在所述正运动学模型中的运动旋量，所述8。为第n个关节相对于所述预设基准位置的转动角度，所述g(0)为所述机械臂末端在所述正运动学模型中的初始位姿数据。
19.进一步的，若基于所述当前实际速度检测到当前不满足预设传感器零漂条件，则获取当前配置的目标动摩擦系数，并基于所述目标动摩擦系数和预设虚拟压力，确定所述目标控制方向对应的目标虚拟动摩擦力；基于预设动摩擦阻抗模型，根据所述目标虚拟动摩擦力、所述目标外力、预设质量参数、预设阻尼参数和预设弹簧参数进行阻抗控制，确定所述目标控制方向对应的下一期望位置。
20.进一步的，包括有模型建立模块、关系确定模块、获取模块、第一确定模块、第二确定模块、目标外力确认模块、目标虚拟静摩擦力确定模块、角度计算模块以及关节控制模块；
21.所述模型建立模块，用于在机械臂的基座对应的基座坐标系下建立机械臂的正运动学模型，其中，在所述正运动学模型中所述机械臂各个关节相对于预设基准位置的转动角度为零；
22.所述关系确定模块，用于根据所述正运动学模型确定所述机械臂末端在基座坐标系下的位姿数据与所述机械臂中各个关节的转动角度之间的第一关系；
23.所述获取模块，用于获取运行图像信息；所述运行图像信息是在对机械臂与目标物的位置关系进行调整控制时触发，用于获得所述机械臂末端在所述基座坐标系下的期望位姿数据，用于获取机械臂的当前实际速度和传感器采集的当前外力；
24.所述第一确定模块，用于根据所述运行图像信息，确定出运行状态信息；
25.所述第二确定模块，用于根据所述运行状态信息和预设的速度控制规则，确定出目标控制参数信息；所述目标控制参数信息用于指示对所述机械臂进行速度控制；
26.所述目标外力确认模块，用于根据所述当前外力，确定目标控制方向对应的目标外力；
27.所述目标虚拟静摩擦力确定模块，用于若基于所述当前实际速度检测到当前满足预设传感器零漂条件，则根据所述目标外力确定目标虚拟静摩擦力；
28.所述角度计算模块，用于根据所述正运动学模型、第一关系以及期望位姿数据，计算对所述机械臂中各个关节进行转动的目标角度；
29.所述关节控制模块，用于控制各个关节按照对应的目标角度转动，以使得所述机械臂末端在基座坐标系下的位姿数据为所述期望位姿数据，用于根据所述下一期望位置，确定所述目标控制方向对应的目标关节运动信息，并基于所述目标关节运动信息控制所述机械臂进行相应运动。
30.进一步的，所述角度计算模块包括有：数据获得子模块、第一计算模块、第二获得子模块以及坐标预测子模块；
31.所述数据获得子模块，用于在所述正运动学模型中获得所述第五关节和第六关节
的轴线交点的交点坐标以及平行关节的关节轴线向量，其中，所述平行关节为：所述第二关节、第三关节或第四关节；
32.所述第一计算模块，用于根据所述期望位姿数据和所述第一角度，计算所述机械臂末端在转动第一角度后的第一关节对应的目标关节坐标系下的期望坐标；
33.所述第二获得子模块，根据计算得到的期望坐标，获得对转动的角度；
34.所述坐标预测子模块，用于根据所述获取的角度在所述正运动学模型中的关节坐标，预测关节转动后在所述基座坐标系下的关节坐标。
35.本发明通过改进在此提供一种机械臂的控制方法与控制装置，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
36.本发明通过对运行图像信息的处理确定得到运行状态信息，再利用速度控制规则确定得到用于指示对机械臂进行速度控制的目标控制参数信息，有利于实现对机械臂的精准控制，从而提高机械臂的控制精度和控制效能，正运动学模型、第一关系以及期望位姿数据均为在基座坐标系下的信息，因此，在计算对各个关节进行转动的目标角度时，可以直接利用同一坐标系下的上述信息进行计算，而无需通过一系列坐标系转换，可以减小计算上述目标角度的计算量，提高计算效率，从而提高控制机械臂的控制效率以及控制实时性，通过设置额外考虑虚拟静摩擦力这一参数的预设静摩擦阻抗模型，可以利用目标虚拟静摩擦力，消除目标控制方向上存在的传感器零点漂移对阻抗控制的影响，从而进一步提高阻抗控制的准确性。
附图说明
37.下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:
38.图1为本发明控制装置系统框图；
39.图2为本发明控制方法流程示意图。
具体实施方式
40.下面将结合附图对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本发明通过改进在此提供一种机械臂的控制方法与控制装置，如图所示，包括有以下步骤：
42.步骤一：在机械臂的基座对应的基座坐标系下建立机械臂的正运动学模型；
43.步骤二、获取图像信息，获取机械臂末端在基座坐标系下的期望位姿数据,获取机械臂的当前实际速度和传感器采集的当前外力；
44.步骤三、根据图像信息，确定运行状态信息,根据当前外力，确定目标控制方向对应的目标外力；
45.步骤四、根据运行状态信息和预设的速度控制规则，确定出目标控制参数信息；目标控制参数信息用于指示对机械臂进行速度控制；
46.步骤五、基于预设静摩擦阻抗模型，根据目标虚拟静摩擦力、目标外力、预设质量
参数、预设阻尼参数和预设弹簧参数进行阻抗控制；
47.步骤六、根据正运动学模型、第一关系以及期望位姿数据，计算对机械臂中各个关节进行转动的目标角度；
48.步骤七、控制各个关节按照对应的目标角度转动，以使得机械臂末端在基座坐标系下的位姿数据为期望位姿数据。
49.运行状态信息包括位姿参数信息和目标状态信息，根据运行图像信息，确定出运行状态信息，包括：利用预设的位姿估计模型对运行图像信息进行处理，得到位姿参数信息，根据位姿参数信息，确定出目标状态信息。
50.正运动学模型中机械臂各个关节相对于预设基准位置的转动角度为零，机械臂配置有六个关节，第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节通过连杆依次连接，第一关节的一端与机械臂基座相连，第六关节的一端与机械臂末端相连，第二关节、第三关节以及第四关节的轴线平行。
51.第一关系按照以下表达式表示：
52.n＝n g＝|elia c(o)
53.其中，g为机械臂末端在基座坐标系下的位姿数据，n为机械臂中关节总数量，e为自然常数，为第n个关节在正运动学模型中的运动旋量，8。为第n个关节相对于预设基准位置的转动角度，g(0)为机械臂末端在正运动学模型中的初始位姿数据。
54.若基于当前实际速度检测到当前不满足预设传感器零漂条件，则获取当前配置的目标动摩擦系数，并基于目标动摩擦系数和预设虚拟压力，确定目标控制方向对应的目标虚拟动摩擦力；基于预设动摩擦阻抗模型，根据目标虚拟动摩擦力、目标外力、预设质量参数、预设阻尼参数和预设弹簧参数进行阻抗控制，确定目标控制方向对应的下一期望位置。
55.包括有模型建立模块、关系确定模块、获取模块、第一确定模块、第二确定模块、目标外力确认模块、目标虚拟静摩擦力确定模块、角度计算模块以及关节控制模块；
56.模型建立模块，用于在机械臂的基座对应的基座坐标系下建立机械臂的正运动学模型，其中，在正运动学模型中机械臂各个关节相对于预设基准位置的转动角度为零；
57.关系确定模块，用于根据正运动学模型确定机械臂末端在基座坐标系下的位姿数据与机械臂中各个关节的转动角度之间的第一关系；
58.获取模块，用于获取运行图像信息；运行图像信息是在对机械臂与目标物的位置关系进行调整控制时触发，用于获得机械臂末端在基座坐标系下的期望位姿数据，用于获取机械臂的当前实际速度和传感器采集的当前外力；
59.第一确定模块，用于根据运行图像信息，确定出运行状态信息；
60.第二确定模块，用于根据运行状态信息和预设的速度控制规则，确定出目标控制参数信息；目标控制参数信息用于指示对机械臂进行速度控制；
61.目标外力确认模块，用于根据当前外力，确定目标控制方向对应的目标外力；
62.目标虚拟静摩擦力确定模块，用于若基于当前实际速度检测到当前满足预设传感器零漂条件，则根据目标外力确定目标虚拟静摩擦力；
63.角度计算模块，用于根据正运动学模型、第一关系以及期望位姿数据，计算对机械臂中各个关节进行转动的目标角度；
64.关节控制模块，用于控制各个关节按照对应的目标角度转动，以使得机械臂末端
在基座坐标系下的位姿数据为期望位姿数据，用于根据下一期望位置，确定目标控制方向对应的目标关节运动信息，并基于目标关节运动信息控制机械臂进行相应运动。
65.角度计算模块包括有：数据获得子模块、第一计算模块、第二获得子模块以及坐标预测子模块；
66.数据获得子模块，用于在正运动学模型中获得第五关节和第六关节的轴线交点的交点坐标以及平行关节的关节轴线向量，其中，平行关节为：第二关节、第三关节或第四关节；
67.第一计算模块，用于根据期望位姿数据和第一角度，计算机械臂末端在转动第一角度后的第一关节对应的目标关节坐标系下的期望坐标；
68.第二获得子模块，根据计算得到的期望坐标，获得对转动的角度；
69.坐标预测子模块，用于根据获取的角度在正运动学模型中的关节坐标，预测关节转动后在基座坐标系下的关节坐标。
70.工作原理：在机械臂的基座对应的基座坐标系下建立机械臂的正运动学模型，获取图像信息，获取机械臂末端在基座坐标系下的期望位姿数据,获取机械臂的当前实际速度和传感器采集的当前外力，根据图像信息，确定运行状态信息,根据当前外力，确定目标控制方向对应的目标外力，根据运行状态信息和预设的速度控制规则，确定出目标控制参数信息；目标控制参数信息用于指示对机械臂进行速度控制，基于预设静摩擦阻抗模型，根据目标虚拟静摩擦力、目标外力、预设质量参数、预设阻尼参数和预设弹簧参数进行阻抗控制，根据正运动学模型、第一关系以及期望位姿数据，计算对机械臂中各个关节进行转动的目标角度，控制各个关节按照对应的目标角度转动，以使得机械臂末端在基座坐标系下的位姿数据为期望位姿数据。
71.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。