CN115008468A - 一种机械臂姿态速度规划控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械臂姿态速度规划控制方法，属于轨迹规划领域。本发明包括：步骤一，获取机械臂末端连杆坐标系当前姿态与目标姿态之间的旋转变换矩阵，并将其表示成欧拉角形式。步骤二，将欧拉角的各个角度乘以阻尼系数，得到机械臂末端连杆坐标系下期望旋转速度，然后通过机器人正向运动学矩阵，将其转换到机械臂基坐标系下。步骤三，按按照欧拉角的旋转次序依次对绕基坐标系各个轴的旋转进行速度控制，三个控制周期后重复上述两个步骤，直到机械臂末端到达目标姿态。

Description

一种机械臂姿态速度规划控制方法

技术领域

本发明涉及轨迹规划领域，具体地说是一种机械臂姿态速度规划控制方法。

背景技术

在控制机械臂运动时，一般需要首先对从起始点到终止点之间的路径进行规划，以实现避障，同时使机械臂运动轨迹更加平滑，进而确保安全性和顺滑性。轨迹具体的方法有多项式插值的轨迹规划，贝塞尔曲线轨迹规划，基于B样条插值的轨迹规划等。在对姿态规划的时候，首先需要使用四元数等适合姿态插值的方式进行表示，再使用轨迹规划方法进行规划出各个路径点的角度，角速度等值。

发明内容

本发明解决的是在控制机械臂姿态调整时，必须先进行姿态规划的问题。通过使用欧拉角表示期望旋转，并在阻尼系数的作用下，得到机械臂末端连杆坐标系下旋转的速度表示。最后将其转换到机械臂基坐标系下，然后按照欧拉角旋转次序分别对绕各个坐标系的旋转速度进行控制，实现不需要提前规划就可以实现姿态平滑变化的效果。

本发明采用的技术方案是：

一种机械臂姿态速度规划控制方法，包括以下步骤。

步骤1：获取机械臂末端连杆坐标系当前姿态与目标姿态之间的旋转变换矩阵，并将其表示成欧拉角形式；

步骤2：将欧拉角的各个角度分别乘以阻尼系数，得到机械臂末端连杆坐标系下的期望旋转速度；然后通过机器人正向运动学矩阵，将其转换到机械臂基坐标系下，得到机械臂基坐标系下的基坐标下末端连杆坐标系的期望速度。

步骤3：按照欧拉角的旋转次序依次对绕基坐标系各个轴的旋转进行速度控制，三个控制周期后重复上述两个步骤，直到机械臂末端到达目标姿态。

所述将旋转矩阵转换成内旋形式表达的欧拉角包括：

定义旋转次序：β、γ、α；

计算旋转矩阵到内旋形式欧拉角的变换公式如下：

其中，RP表示目标姿态到当前姿态之间的旋转变换矩阵，

β为机械臂末端首先绕着基坐标系的z轴旋转的角度，γ为然后绕着旋转后坐标系的y轴旋转的角度，α为最后绕着旋转后坐标系的x轴旋转的角度。

所述基坐标下末端连杆坐标系的期望速度为：[wx,wy,wz]，用于利用雅可比矩阵，通过机械臂微分运动学对机械臂进行速度控制。

所述按照欧拉角的旋转次序，一个周期内只对期望旋转速度中的一个分量进行控制；且因为仅对姿态进行控制，因此单一周期的速度分量有如下三种情况：

其中，v中前3个分量为线速度，后3个分量为角速度，分别对应当前周期的期望旋转速度。

本发明具有的有益效果和有点：

在姿态规划控制时，不需要经过姿态规划，就可以直接根据实时计算的欧拉角进行控制,可以实现姿态平滑变化的效果。

附图说明

图1为姿态速度规划控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明是一种机械臂姿态速度规划控制方法，其具体实施步骤如下：

步骤1：

首先，得到目标姿态在机械臂末端连杆坐标系中的旋转变换矩阵形式表示，旋转变换矩阵为控制器根据目标姿态和机械臂末端当前姿态自动进行坐标系变换计算得到。

然后，将旋转变换矩阵转换成内旋形式表达的欧拉角。在旋转时首先绕着z轴旋转β角度，然后绕着旋转后坐标系的y轴旋转γ角度，最后绕着旋转后坐标系的x轴旋转α角度。得到的旋转矩阵到内旋形式欧拉角的变换公式如下所示。

其中，RP表示目标姿态到当前姿态之间的旋转变换矩阵，

步骤2：

首先，将欧拉角中每个分量分别乘以阻尼系数，得到末端连杆坐标系下三个方向的旋转速度；

然后，利用机械臂正向运动学矩阵，将其转换到机械臂基坐标系下，即得到了基坐标下末端连杆坐标系的三个方向的期望速度；

进而可以利用雅可比矩阵，通过机械臂微分运动学对机械臂进行速度控制。步骤3：

首先，按照欧拉角的旋转次序依次对绕基坐标系各个轴的旋转进行速度控制，即对期望速度进行控制操作，每周期只对期望旋转速度中的一个分量进行控制。

且因为仅对姿态进行控制，因此某一周期的速度分量可能有如下三种情况。

其中，v中前3个分量为线速度，后3个分量为角速度，分别对应当前周期的期望旋转速度。

然后，三个控制周期后重复上述两个步骤，直到机械臂末端到达目标姿态。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机械臂姿态速度规划控制方法，其特征如下，包括以下步骤。

步骤1：获取机械臂末端连杆坐标系当前姿态与目标姿态之间的旋转变换矩阵，并将其表示成欧拉角形式；

步骤2：将欧拉角的各个角度分别乘以阻尼系数，得到机械臂末端连杆坐标系下的期望旋转速度；然后通过机器人正向运动学矩阵，将其转换到机械臂基坐标系下，得到机械臂基坐标系下的基坐标下末端连杆坐标系的期望速度。

步骤3：按照欧拉角的旋转次序依次对绕基坐标系各个轴的旋转进行速度控制，三个控制周期后重复上述两个步骤，直到机械臂末端到达目标姿态。

2.根据权利要求书1所述的一种机械臂姿态速度规划控制方法，其特征在于，所述将旋转矩阵转换成内旋形式表达的欧拉角包括：

定义旋转次序：β、γ、α；

计算旋转矩阵到内旋形式欧拉角的变换公式如下：

其中，RP表示目标姿态到当前姿态之间的旋转变换矩阵，

β为机械臂末端首先绕着基坐标系的z轴旋转的角度，γ为然后绕着旋转后坐标系的y轴旋转的角度，α为最后绕着旋转后坐标系的x轴旋转的角度。

3.根据权力要求书1所述的一种机械臂姿态速度规划控制方法，其特征在于，所述基坐标下末端连杆坐标系的期望速度为：[wx,wy,wz]，用于利用雅可比矩阵，通过机械臂微分运动学对机械臂进行速度控制。

4.根据权力要求书1所述的一种机械臂姿态速度规划控制方法，其特征在于，所述按照欧拉角的旋转次序，一个周期内只对期望旋转速度中的一个分量进行控制；且因为仅对姿态进行控制，因此单一周期的速度分量有如下三种情况：

其中，v中前3个分量为线速度，后3个分量为角速度，分别对应当前周期的期望旋转速度。

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