一种四轮对称全向移动机械臂控制方法、设备、存储介质

本发明涉及机械臂控制领域，尤其是涉及一种四轮对称全向移动机械臂控制方法、设备、存储介质。

背景技术：

1、四轮对称全向移动机械臂(由具有四个对称分布全向轮的移动平台和n个自由度的机械臂组成)适用于许多领域，包括工业生产、仓储物流、医疗卫生、服务机器人等。其灵活性和全向移动性使其能够在狭小空间中执行任务。移动机械臂需要执行不同的规划任务，当执行完毕一个规划任务时，通常需要将移动机械臂从当前状态调整到下一个规划任务的起始状态，再进行下一个规划任务。移动机械臂在此过程的状态调整分为以下两步：先将移动平台移动到期望位置，再调整机械臂关节。然而，这种方法繁琐耗时并且有着明显的缺陷：每次调整通常需要多次测量移动平台在当前状态所在的位置、航向角以及机械臂各关节的关节角度，以确保移动机械臂能够准确到达期望的状态。此外，对于位置、航向角和关节角度中的任何一个不准确的参数都可能导致四轮对称全向移动机械臂在执行规划任务时难以取得成功。

2、中国专利申请公开号cn113787502a公开了一种基于神经动力学的三轮全向移动机器人状态调整方法，其能够利用神经动力学公式，设计一个在速度层上描述的新型性能指标，并最小化该指标，建立相应的速度层状态调整方案。然而，一方面该方法面向的是三轮全向移动机器人，不适用于四轮机械臂，另一方面，该方案的收敛速度不理想。

3、综上，当前缺少一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，以解决或部分解决前述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种四轮对称全向移动机械臂控制方法、设备、存储介质，以实现四轮对称全向移动机械臂的快速控制。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的一个方面，提供了一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，包括如下步骤：

4、基于非线性动力学公式，以最小化四轮对称全向移动机械臂前状态与期望状态之间的误差为目标，构建基于非线性映射的速度层性能指标；

5、以最小化所述速度层性能指标为目的，得到极限约束条件下的速度层状态调整方案；

6、通过求解所述速度层状态调整方案实现所述四轮对称全向移动机械臂的控制。

7、作为优选的技术方案，所述速度层性能指标为：

8、

9、

10、其中，||·||2指向量的二范数，表示移动机械臂整体的速度向量并且为移动机械臂整体的位置向量，n＞0∈r为调节移动机械臂性能指标以帮助完成状态自动调整的参数，px∈r和py∈r为机械臂设置在移动平台上的水平位置，为移动平台的航向角，ρ∈rn为n个自由度的机械臂的关节角度，且其时间导数表示机械臂的关节速度，φi(g)(i＝1,2,3,4)表示具有单调递增性质的奇函数，pxd∈r，pyd∈r和分别为期望状态下移动平台在水平位置上沿着x轴和y轴方向上的坐标和航向角，ρd∈rn为机械臂期望状态下的关节角度，和分别为机械臂设置在在移动平台水平位置的两个速度分量和移动平台航向角速度。

11、作为优选的技术方案，所述极限约束条件为：

12、

13、ν-≤ν≤ν+

14、

15、ρ-≤ρ≤ρ+

16、

17、其中，等式约束为移动平台的运动学方程，和分别为机械臂设置在在移动平台水平位置的两个速度分量和移动平台航向角速度，a是由移动平台的结构参数组成的矩阵，ν∈r4和分别为移动平台四个对称全向轮的旋转角度的大小和旋转角速度；ν±、ρ±和分别表示全向轮旋转角度、全向轮旋转角速度、机械臂关节角度和机械臂关节速度的极限。

18、作为优选的技术方案，移动平台的结构参数组成的矩阵为：

19、

20、其中，r＞0∈r为移动平台四个对称全向轮的半径，d＞0∈r为移动平台中心点到全向轮的距离，为移动平台的航向角。

21、作为优选的技术方案，所述速度层状态调整方案的求解过程包括：

22、将所述速度层状态调整方案转换为二次型优化问题；

23、通过迭代计算，完成状态层状态调整方案的求解。

24、作为优选的技术方案，采用分段线性投影算法进行迭代计算。

25、作为优选的技术方案，所述四轮对称全向移动机械臂包括移动平台和机械臂，所述移动平台包括四个对称分布全向轮，所述机械臂包括n个自由度。

26、作为优选的技术方案，所述速度层状态调整方案求解完成后，通过下位机控制器对四轮对称全向移动机械臂进行控制。

27、本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述四轮对称全向移动机械臂控制方法的指令。

28、本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述四轮对称全向移动机械臂控制方法的指令。

29、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：

30、(1)实现四轮对称全向移动机械臂的控制：本发明通过求解速度层状态调整方案，使移动机械臂能够快速且准确地达到期望的状态，此状态为执行不同规划任务时的起始状态，能有效地在速度层上实现四轮对称全向移动机械臂在不同状态之间的自动调整，简化了四轮对称全向移动机械臂在执行不同规划任务时的过程，避免了多次测量移动平台水平位置、航向角和机械臂关节角度的繁琐操作。

31、(2)收敛速度快：本发明通过构建基于非线性映射的速度层性能指标，相较已有的收敛速度要更快，能更快实现状态自动调整。

32、(3)计算速度快：本发明中所使用机械臂通常自由度较小，使用的数值求解算法更加高效快速。

技术特征：

1.一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，其特征在于，所述速度层性能指标为：

3.根据权利要求1所述的一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，其特征在于，所述极限约束条件为：

4.根据权利要求3所述的一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，其特征在于，移动平台的结构参数组成的矩阵为：

5.根据权利要求1所述的一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，其特征在于，所述速度层状态调整方案的求解过程包括：

6.根据权利要求5所述的一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，其特征在于，采用分段线性投影算法进行迭代计算。

7.根据权利要求1所述的一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，其特征在于，所述四轮对称全向移动机械臂包括移动平台和机械臂，所述移动平台包括四个对称分布全向轮，所述机械臂包括n个自由度。

8.根据权利要求1所述的一种四轮对称全向移动机械臂控制方法，其特征在于，所述速度层状态调整方案求解完成后，通过下位机控制器对四轮对称全向移动机械臂进行控制。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述四轮对称全向移动机械臂控制方法的指令。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述四轮对称全向移动机械臂控制方法的指令。

技术总结本发明涉及一种四轮对称全向移动机械臂控制方法、设备、存储介质，方法包括如下步骤：基于非线性动力学公式，以最小化四轮对称全向移动机械臂前状态与期望状态之间的误差为目标，构建基于非线性映射的速度层性能指标；以最小化所述速度层性能指标为目的，得到极限约束条件下的速度层状态调整方案；通过求解所述速度层状态调整方案实现所述四轮对称全向移动机械臂的控制。与现有技术相比，本发明有效地弥补了现有方法的缺陷，引入了一种新的操作方便、工作量较少、作业规范的方法。该方法能够自动调整四轮对称全向移动机械臂，使其快速、准确地达到期望状态。技术研发人员：郭东生,张中浩,张卫东,仓乃梦,章海波,张曦元,沈洋林,李雨兴,刘哲,刘若楠,马开辉,乐心怡,赵斌,江灏,谢威受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5