[发明专利]一种欠驱动高自由度机械臂被动关节角度调整方法

说明书

本发明实施例提供了一种欠驱动高自由度机械臂被动关节角度调整方法，实现了高自由度机械臂任一关节处于欠驱动状态时的角度调整，包括：通过对欠驱动高自由度机械臂进行模型重构，实现机械臂高自由度向仅包含主动关节和被动关节的低自由度机械臂的转化；采用拉格朗日方程建立模型重构机械臂主被动关节轴线处于任意相互位置时的动力学耦合关系；基于所建立的动力学耦合关系，通过控制主动关节运动，实现欠驱动高自由度机械臂被动关节的角度调整。根据本发明实施例提供的技术方案，可实现欠驱动高自由度机械臂被动关节的角度调整。

【技术领域】

本发明涉及一种欠驱动高自由度机械臂被动关节角度调整方法，属于欠驱动机械臂运动控制技术领域。

【背景技术】

随着科学技术的快速发展，具有操作灵活、精准度高等优点的高自由度机械臂已被广泛应用于工业生产、航空航天等领域。为了减小整体质量以提高工作效率，部分高自由度机械臂的个别关节不具有驱动单元。此外，用于太空探索的冗余度空间机械臂，由于工作环境的恶劣与关节结构的复杂，机械臂在长期服役过程中极有可能会发生关节故障，使关节失去驱动力矩的关节自由摆动故障就属于一种常见的空间机械臂关节故障类型。实现欠驱动关节的运动控制能够极大提升高自由度机械臂的工作效率，因此，开展高自由度机械臂欠驱动关节运动控制的相关研究，对机械臂在人类工业生产、太空探索等领域的应用有着不可估量的理论价值和现实意义。

现有关于欠驱动关节的角度调整方法多针对主被动关节轴线相互平行的低自由度机械臂，考虑到欠驱动关节只能利用欠驱动机械臂的动力学耦合特性通过主动关节的运动进行被动调整，因此欠驱动关节也称为被动关节。对于高自由度机械臂而言，主动关节过多会极大增加被动关节控制难度，且主被动关节轴线相对位置具有任意性；因此，建立可实现主被动关节轴线处于任意相互位置的高自由度机械臂被动关节角度调整策略，对于提高欠驱动高自由度机械臂工作效率与质量至关重要。

【发明内容】

有鉴于此，本发明实施例提供了一种欠驱动高自由度机械臂被动关节角度调整方法，所提方法可为具有欠驱动关节的高自由度机械臂运动控制提供保障。

上述欠驱动高自由度机械臂被动关节的角度调整过程中，用到的方法至少包括：

依据欠驱动高自由度机械臂构型特征建立任一关节处于欠驱动状态的高自由度机械臂动力学模型，根据被动关节在机械臂所有关节中所处位置，选定一个用于调整被动关节运动的主动关节，将被动关节与所选主动关节之外的所有关节锁定，重新建立机械臂动力学模型以实现欠驱动机械臂高自由度向低自由度的转化。

依据所建低自由度机械臂动力学模型，通过求解系统总动能与重力势能，完成欠驱动机械臂拉格朗日方程的推导，基于推导所得拉格朗日方程，通过考虑关节间摩擦力，建立欠驱动机械臂主被动关节轴线处于任意相互位置时的动力学耦合关系，另外，考虑到欠驱动机械臂主被动关节轴线相互位置关系多为垂直和平行两种情况，因此，在完成主被动关节轴线处于任意相互位置时动力学耦合关系建立的基础上，推导主被动关节轴线分别处于垂直和平行两种特殊相互位置关系时欠驱动机械臂的动力学耦合关系。

依据PD控制方法确定欠驱动机械臂主动关节控制律，基于所建动力学耦合关系获得欠驱动机械臂被动关节的运动规律，通过控制主动关节的运动，实现欠驱动高自由度机械臂被动关节的角度调整。

上述求解过程中，实现欠驱动机械臂高自由度向低自由度转化的过程包括：

第一步：建立欠驱动n自由度机械臂动力学模型，所建模型对应的动力学参数符号定义介绍如表1所示：

表1机械臂动力学参数符号定义