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1、上海交通大学学报26o.第卷第2期IouRNALoFsH州GHAIJIAoT溯GuNxvERsITvVl26摊21992多臂协调搬物系统的递阶控制’许晓鸣朱文宏(自动控制系),摘要本文采用大系统理论中的递阶控制结构由上级协调器通过修正协调因子来在.,线调整下级子系统(机械臂)的控制任务利用这一结构一旦协调因子确,,定各子系统的控制量可以同时并行地进行计算从而使全局系统的动力学控制计,.算任务分散化大大提高了控制的实时性,,,关键词多臂协调机器人学递阶控制大系统理论O引言,、,目前工业机械手的应用已相当
2、普遍但由于材料电机性能等诸多因素的限制单个机,,械手的载重能力还比较低对于比较重的被搬物体(以下简称物体)搬运任务就无法完成.采用双臂,.以至多臂来共同完成这一任务显然是一条可行的途径鉴于物体搬运是无人工厂,,中一项基本的操作对于多臂(包括双臂)协调搬物的研究已经引起了国际上的广泛重视.然而,,长期,多臂搬物系统的协调控制问题以来未获圆满解决其主要困难可归结为三点:(1)系统维数高;(2;(3)内力的存在.)非线性动力学,采,本文受日常生活中多人搬物过程的启发用大系统理论的递阶控制结构提出一种多,其。
3、臂协调搬物的递阶控制算法目的在于提高实时性1多臂搬物系统的动力学模型在建立,:多臂搬物系统的动力学模型之前先作以下假设;(1)各机械臂的关节数等于物体的运动学自由度;(2)机械臂的各连杆均为刚体,,(3)被搬物体从宏观角度看是刚性但在运动过程中为了保证未端夹持器与物体接触,允许在接触处.处的依从性出现极其微小的形变由于准,,备采用递阶控制方案因此必须在协调级和子系统控制级分别建立对象动力学.。.ann模型在协调级只考虑合力f(t)对物体运动的影响其Lgragia函数为本文1991年5月26日收到.、、
4、.势本文为国家青年科学基金上海市青年科学基金国家863高技术基金资助项目件晓鸣等:多臂协调搬物票统的递阶控制121.Ox。‘,二。一12戈。%。劣。,。戈。L()-百D()+犷():二。〔日;。二。。“6;。。二。式中R是被搬物体的位姿向量D()〔R是物体的惯性矩阵犷()是物体的重力势能函数.agngie,。一(d/dt)(aL。二。)。二。,根据Lra原理f/a一(aL/a)协调级的动力学方程可由下式给出。x。二。。二。,二。二。。二。oD()+C()+G()~f(1).,’、~二。d1.,;aD。
5、(劣)a犷。。二。),。劣.~。(工、甲:七。气戈。劣。),万D(X6七乡1.G(劣)~一~一不戈。x。UL乙aa,ngian在子系统级第i条机械臂的Lagra函数为.、1丈,。,月、r,,。、刃只‘又口‘,口‘,口;‘又“‘)口‘厂“‘又口‘)石~落口十:‘6;‘‘“‘。;式中0〔R是第f条机械臂的关节角度向量D(0)〔R是第i条机械臂的惯性矩阵。‘‘.犷(0)是机械臂i的重力势能函数由于手部与物体有接触,这一接触力折合到关节上的力矩为‘)‘,‘‘)是机J不(0f其中J(0o,‘.arane,械臂f
6、的Jacbi矩阵f为机械臂i的手端对物沐的作甲力根据Lggi原理子系统f的动力学方程可写成为‘;‘‘,‘‘‘‘‘‘:‘D(0)+C(80)0+G(口)+J了(0)f二~(2)。,。、。、1:‘‘。‘‘4二才dn启一aD(0)‘O〕犷(0):‘6:工枯:七八t7‘,u‘)石‘气U‘)一气尸口}七丛)1.~G(0〔Ri甲=刀一石在一;ao‘第条机口不乙;,2,,。.械臂的驱动力矩向量‘~1⋯2多臂搬物控制的协调与分解多臂搬物控制的目的是使物体的位姿二。(t)沿着理想轨迹(t)运动.一旦洲t)确定心(,,、
7、.后则可通过变换确定二二如果各机械臂手端与物体的夹持点和夹持方式固定了(t)了(t),,.,,,,,￡=l⋯m又由第二节中的假定(1)群(约和e了(t)i二1⋯。可以通过逆运动学变换求得.,描述,,从式(1)和式(2)可以看出协调搬物系统动力学行为的是非线性微分方程因此过去大系统理论中适合于线性系统的内容不能照搬.,:(1)根据子系统提供的信息戈‘,在多臂协调搬物控制系统中协调级的任务为f~1,,,二。x。;劣。、x。x、x。;。,⋯m估计和(2)根据与言艺的差确定合力f(3)将f分解成无,,,.‘~
8、1⋯m并分送相应的子系统‘,,‘子系统级的任务为(针对机械臂(1)测量0和0并接受来自协调级的f;(2):‘,‘,,.确定在产生了的前提下使氏、到已,盯在,,大系统理论中分解是指如何去定义子问题而协调则是根据各子系统的局部解综合,,,碍到全局解通常分解与协调需要一个迭代过程川但在多臂协调搬物系统中实时性要求122上海交通大学学报19能年竿2期使我们无法接受缓慢的迭代收敛过程.因此,在协调级不采用通常的最优控制方法而改用计‘2’,.算力矩方法从而避免了在协
