绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制方法及系统与流程

本发明涉及机械臂控制，具体涉及绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制方法及系统。

背景技术：

1、随着航天技术的不断进步，航天器在执行更加复杂的任务时，其作业环境也变得更加复杂，相应地增加了航天器的故障风险和维修难度。因此，开发适用于狭小空间且具有高度灵活性的空间机械臂变得尤为重要。绳驱空间机械臂以其独特的结构优势，在狭小空间中进行作业时表现出色。然而，目前的绳驱空间机械臂在进行作业时，存在控制误差和安全风险，例如绳索松弛或过紧断裂等。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制方法及系统，以解决如何消除机械臂的工作误差以降低安全风险的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制方法，机械臂为柔性机械臂，所述柔性机械臂包括驱动箱和串联连接的多个臂杆段；每个所述臂杆段包括依次连接的臂杆和多个中心块，每个所述臂杆通过多根驱动绳索连接到所述驱动箱中；其特征在于，所述方法包括：

3、建立柔性机械臂的混合模型；

4、基于所述混合模型，构建所述柔性机械臂的融合控制框架；所述融合控制框架用于对所述柔性机械臂进行广义任务空间下的力、位姿和形态多目标协同控制；

5、基于所述融合控制框架，计算广义任务空间下的力、位姿和形态多目标协同控制律，并将力、位姿和形态控制律进行融合；

6、将融合后的所述多目标协同控制律分配到各个所述臂杆段，得到各所述臂杆段的所述驱动绳索的期望拉力；

7、基于所述驱动绳索的期望拉力，细化所述驱动绳索的绳长和拉力混合控制器；

8、基于细化后的所述绳长和拉力混合控制器输出所述驱动绳索运动的速度量，将所述驱动绳索运动的速度量转化为驱动箱的运动速度指令，驱动所述驱动绳索运动，以控制所述柔性机械臂运动。

9、有益效果：通过建立柔性机械臂的混合模型，并根据混合模型构建柔性机械臂的融合控制框架，以对柔性机械臂进行广义任务空间下的力、位姿和形态多目标协同控制，以同时实现柔性机械臂末端操作力、位姿和形态参数按期望目标变化，并避免驱动绳索松弛或断裂。

10、根据融合控制框架，计算广义任务空间下的力、位姿和形态多目标协同控制律，并将力、位姿和形态控制律进行融合，实现了柔性机械臂的力、位姿和形态的综合控制，确保柔性机械臂末端操作力、位姿和柔性机械臂形态的精确控制。再将融合后的多目标协同控制律分配到柔性机械臂的各个臂杆段，得到各臂杆段的驱动绳索的期望拉力，以对每个臂杆段进行独立的运动控制，从而精确计算出各驱动绳索的期望拉力和位移，保证各驱动绳索在实现该段期望运动的同时也不会出现松弛或断裂的风险。

11、根据驱动绳索的期望拉力，细化驱动绳索的绳长和拉力混合控制器；通过细化后的绳长和拉力混合控制器输出驱动绳索运动的速度量，并将驱动绳索运动的速度量转化为驱动箱的运动速度指令，驱动柔性机械臂运动，有效提高了绳簇空间驱动机械臂的操作性能和安全性，尤其适用于狭小空间内的精细作业任务。

12、在一种可选的实施方式中，所述建立柔性机械臂的混合模型，包括：

13、建立所述柔性机械臂的运动学模型和静力学模型。

14、在一种可选的实施方式中，所述中心块设置有两个，所述驱动绳索设置有三根；所述建立所述柔性机械臂的运动学模型，包括：

15、获取各所述驱动绳索的长度和各所述中心块的关节角；

16、所述各所述驱动绳索的长度和各所述中心块的关节角的位置级运动学关系表达式为：

17、[l1 l2 l3]＝fθ-l(θ1,θ2)     (1)

18、其中，l1、l2、l3分别为各驱动绳索的长度；θ1、θ2分别为各中心块的关节角；fθ-l为中心块到驱动绳索的位置级正运动学映射；

19、所述各所述驱动绳索的长度和各所述中心块的关节角的速度级运动学表达式为：

20、

21、基于式(2)得到jseg的伪逆矩阵，表达式为：

22、

23、其中，分别为各驱动绳索的速度；分别为各中心块的关节角速度；jseg∈r2×3为臂杆段速度雅可比矩阵；为jseg的伪逆矩阵。

24、在一种可选的实施方式中，所述建立所述柔性机械臂的静力学模型，包括：

25、基于式(3)并根据对偶原理得到驱动绳索的静力学方程，表达式为：

26、

27、基于式(4)并采用伪逆法计算将中心块的力分解到驱动绳索的拉力的最小范数解，表达式为：

28、

29、其中，为jseg的伪逆矩阵；fc1、fc2、fc3分别为各驱动绳索的拉力；τ1、τ2分别为中心块力矩；为驱动绳索的力雅可比矩阵。

30、在一种可选的实施方式中，所述基于所述融合控制框架，计算广义任务空间下的力、位姿和形态多目标协同控制律，并将力、位姿和形态控制律进行融合，包括：

31、广义任务空间下的力、位姿和形态多目标协同控制律的表达式为：

32、

33、其中，ffc、fpc、fωc分别为力、位姿和形态广义控制量；ef、ep、eω分别为力、位姿和形态误差，ef＝fed-fe,ep＝xed-xe，eω＝ωd-ωe；分别为力误差一阶微分、位姿误差一阶微分、形态误差一阶微分；kfp、kfi、kfd为柔性机械臂末端力控制器的比例、积分、微分三个参数；kpp、kpi、kpd为柔性机械臂末端位姿控制器的比例、积分、微分三个参数；kωp、kωi、kωd为柔性机械臂形态控制器的比例、积分、微分三个参数；dt为时间的微小变化量，t为时间；

34、通过选择矩阵对柔性机械臂末端力、位姿控制律进行混合，再与形态控制律进行融合，表达式为：

35、

36、其中，ffpω为力-位姿控制组合矩阵；s为柔性机械臂末端力控选择矩阵；为柔性机械臂末端位控选择矩阵；s1为第1个变量，s6为第6个变量，为第1个变量，为第6个变量。

37、在一种可选的实施方式中，所述将融合后的所述多目标协同控制律分配到各个所述臂杆段，得到各所述臂杆段的所述驱动绳索的期望拉力的表达式为：

38、

39、其中，fcd∈r3n为所有驱动绳索的期望拉力组成的向量，按驱动绳索1-n的顺序排列；s为柔性机械臂末端力控选择矩阵；为柔性机械臂末端位控选择矩阵；ffc、fpc、fωc分别为力、位姿和形态广义控制量；jl-e为力-位姿与驱动绳索拉力雅可比矩阵；jω为形态空间与驱动绳索拉力雅可比矩阵。

40、在一种可选的实施方式中，所述基于所述驱动绳索的期望拉力，细化所述驱动绳索的绳长和拉力混合控制器，包括：

41、基于所述驱动绳索的期望拉力，将两根所述驱动绳索进行绳长控制，将另一根所述驱动绳索进行拉力控制，细化所述驱动绳索的绳长和拉力混合控制器；其中，所述进行绳长控制的所述驱动绳索为位控驱动绳索，所述进行拉力控制的所述驱动绳索为力控驱动绳索；

42、对于所述位控驱动绳索，电机控制力矩的表达式为：

43、

44、

45、对于所述力控驱动绳索，电机控制力矩的表达式为：

46、

47、其中，δli为驱动绳索变化量；fci为期望拉力；kci为绳索的弹性系数，i为驱动绳索编号；sa为滚珠丝杠导程系数；为电机j的期望位置增量；为电机位置误差，为电机编码器给出的实际位置增量；为电机位置误差一阶微分；τmj1为位控驱动绳索的电机控制力矩；τmj2为力控驱动绳索的电机控制力矩；为拉力误差，为拉力传感器测量值；为拉力误差；kpi、kii、kdi为驱动绳索的比例、积分、微分三个参数。

48、在一种可选的实施方式中，所述基于所述驱动绳索的期望拉力，细化所述驱动绳索的绳长和拉力混合控制器之后，还包括：

49、同时计算每根所述驱动绳索的绳长控制律和拉力控制律；

50、对所述绳长控制律和所述拉力控制律进行加权，得到电机驱动力矩，表达式为：

51、τmj＝wi1τmj1+wi2τmj2,i＝1,2,3     (14)

52、其中，τmj为绳长和拉力控制律进行加权后的电机驱动力矩；τmj1为电机j的绳长控制力矩；τmj2为电机j的拉力控制力矩；wi1、wi2为驱动绳索所对应的加权系数。

53、在一种可选的实施方式中，还包括：

54、检测所述柔性机械臂是否达到力、位姿和形态的期望目标；

55、响应于未达到所述期望目标，则再次基于所述混合模型，构建所述柔性机械臂的力位型融合控制框架，进行下一个控制周期的调整，直至所述柔性机械臂达到所述期望目标。

56、第二方面，本发明还提供了一种绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制系统，包括：

57、建立模块，用于建立柔性机械臂的混合模型；

58、构建模块，用于基于所述混合模型，构建所述柔性机械臂的融合控制框架；所述融合控制框架用于对所述柔性机械臂进行广义任务空间下的力、位姿和形态多目标协同控制；

59、第一计算模块，用于基于所述融合控制框架，计算广义任务空间下的力、位姿和形态多目标协同控制律，并将力、位姿和形态控制律进行融合；

60、分配模块，用于将融合后的所述多目标协同控制律分配到各个臂杆段，得到各所述臂杆段的驱动绳索的期望拉力；

61、第二计算模块，用于基于所述驱动绳索的期望拉力，细化所述驱动绳索的绳长和拉力混合控制器；

62、输出模块，用于基于细化后的所述绳长和拉力混合控制器输出所述驱动绳索运动的速度量，将所述驱动绳索运动的速度量转化为驱动箱的运动速度指令，驱动所述驱动绳索运动，以控制所述柔性机械臂运动。

63、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；

64、所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行上述的绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制方法的操作。

65、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令在电子设备/绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制系统上运行时，使得电子设备/绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制系统执行如上述的绳簇空间驱动机械臂力-位-型融合控制方法的操作。

66、上述说明仅是本发明实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。