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申请/专利权人：中国科学院沈阳自动化研究所

摘要：本发明属于大型重载机器人领域，具体说是一种大型重载液压机械臂的增量式运动控制方法，包括以下步骤：建立液压机械臂三维几何模型；分别设置初始位置、第一过渡位置、第二过渡位置和最佳抓捕位置；并分别对初始位置、第一过渡位置和第二过渡位置时的三维几何模型进行投影；根据液压机械臂三维几何模型以及投影，获取液压机械臂从初始位置到最佳抓捕位置各关节增量角以及伸缩关节增量长度；根据各关节的增量角以及伸缩关节的增量长度，实现液压机械臂对目标物体的抓捕。本发明所提出的增量式运动控制方法，无需对形变进行复杂的建模和参数辨识，可以对液压机械臂在当前构型一定的笛卡尔空间邻域内进行精准的位置控制，确保抓捕任务的成功率。

主权项：1.一种大型重载液压机械臂的增量式运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1根据实际的液压机械臂建立液压机械臂的三维几何模型；所述步骤1，具体为：所述液压机械臂，包括：液压臂、吊具以及视觉系统；其中，所述液压臂，包括：顺次连接的基座、主臂、大臂以及伸展臂；分别建立液压臂、吊具以及视觉系统的模型，并进行组合得到三维几何模型，包括以下步骤：1-1建立液压臂模型，其中，所述基座与主臂一端通过回转关节J1连接，主臂另一端与大臂一端通过俯仰关节J2连接，大臂另一端与伸展臂通过俯仰关节J3连接，伸展臂中间位置设有伸缩关节J4；对液压臂建立模型，分别得到：回转关节J1、俯仰关节J2、俯仰关节J3和伸缩关节J4；所述伸缩关节J4距离J3关节轴线l距离处设有拉线传感器，用于读取的伸展臂的伸长长度；1-2对吊具建立模型：所述吊具的俯仰关节J6所在连杆固接于伸展臂的末端，俯仰关节J6底部与回转关节J5顶部固连，回转关节J5底部固接有夹爪，建立吊具模型，得到：回转关节J5、俯仰关节J6和夹爪模型；1-3所述视觉系统，包括：视觉标靶和相机，所述相机安装在吊具底部某一端的末端，视觉标靶安装在目标物体上，在吊取目标物体时，以使相机获取视觉靶标在相机中的位姿；1-4定义液压机械臂的部分关节零位：俯仰关节J2、回转关节J3和伸缩关节J4位于同一水平面；回转关节J5将吊具顶面与伸缩关节J4的连杆调整至平行状态，且俯仰关节J6将吊具调至平行于水平面；2分别设置初始位置、第一过渡位置、第二过渡位置和最佳抓捕位置；并分别对初始位置、第一过渡位置和第二过渡位置时的三维几何模型进行投影，分别获取三维几何模型在初始位置正面投影、第一过渡位置水平投影和第二过渡位置正面投影；3根据液压机械臂的三维几何模型以及初始位置正面投影、第一过渡位置水平投影和第二过渡位置正面投影，获取液压机械臂从初始位置到最佳抓捕位置的回转关节J1的增量角、俯仰关节J2的增量角、回转关节J3的增量角、伸缩关节J4的增量长度和回转关节J5的增量角；所述步骤3，具体为：1对液压机械臂在初始位置进行正面投影，并确定液压机械臂的第一过渡位置，获取俯仰关节J2轴线到吊具中心在水平面投影的长度；2对液压机械臂在第一过渡位置进行水平面投影，此时，吊具位于目标物体的正上方，确定的液压机械臂的第二过渡位置，根据俯仰关节J2轴线到吊具中心在水平面投影的长度以及相机此时获取的视觉靶标在相机中的位姿，获取回转关节J1的增量角Δθ1、当前伸缩关节J4的增量长度Δd4c和回转关节J5的增量角Δε；3对液压机械臂在第二过渡位置进行正面投影，确定的液压机械臂的最佳抓捕位置，并获取俯仰关节J2的增量角Δθ2、回转关节J3的增量角Δθ3和当前J4的增量长度Δd4g，以及回转关节J5的增量角；所述步骤1，具体为：当液压机械臂处于初始位置时，对其在正面进行投影，设定回转关节J3的抓捕角度为θ3T，并通过俯仰关节J6将吊具调至水平状态，确定第一过渡位置；在第一过渡位置上，视觉系统进行图像采集，并得到目标物体的视觉靶标在相机坐标系{C}中的位姿cx1，cy1，cz1，cε0；其中，cε0为在相机坐标系{C}的z方向的欧拉角；得到液压机械臂位于第一过渡位置时，俯仰关节J2轴线到吊具中心在水平面投影的长度，即： 其中，L’11表示液压机械臂位于第一过渡位置时俯仰关节J2距离回转关节J5在液压机械臂正投影面上的距离，为L’11与水平面的夹角；所述步骤2，具体为：2-1对位于第一过渡位置的液压机械臂进行水平面投影，得到目标物体的视觉靶标T1在相机坐标系{C}中的位置{cx1，cy1，cz1}和在z方向的欧拉角cε0；2-2获取当液压机械臂位于第一过渡位置时J1的轴线到吊具中心在水平面上的距离D1，即：D1＝L1.pro-a1其中，oxcom用于补偿在oX方向的误差，ex0，cy0为目标物体的中心T0在相机坐标系{C}中的二维坐标，cε0为z方向的欧拉角；液压机械臂从第一过渡位置运动到第二过渡位置时J4的增量长度为： 其中，D2表示液压机械臂位于第二过渡位置时回转关节J1的轴线到吊具中心在水平面上的距离；oxcom用于补偿在oX方向的误差，D1为当液压机械臂位于第一过渡位置时J1的轴线到吊具中心在水平面上的距离；即得到回转关节J1的增量角Δθ1、伸缩关节J4的增量长度Δd4c和回转关节J5的增量角Δε；所述步骤3，具体为：3-1获取到液压机械臂从初始位置运动到最佳抓捕位置时J4的增量长度Δd4为：Δd4＝Δd4c+Δd4g＝L33-l+d4+a3其中，L33为液压机械臂位于最佳抓捕位置时回转关节J3到机械臂末端的距离，L23为液压机械臂回转关节J3到机械臂末端的距离，d4为液压机械臂位于初始位置时J4伸长量，a3为液压机械臂在零位时液压臂末端到吊具末端中心的水平距离Δd4c为液压机械臂从第一过渡位置运动到第二过渡位置时J4的增量长度；3-2根据获取的液压机械臂位于最佳抓捕位置时俯仰关节J2的角度θ2g、俯仰关节J2到回转关节J5在机械臂正面投影上的距离和液压机械臂位于初始位置时俯仰关节J2的角度θ2，液压机械臂从初始位置运动到最佳抓捕位置时，俯仰关节J2的增量角Δθ2为： 其中，L’21表示液压机械臂位于第二过渡位置时俯仰关节J2到回转关节J5在机械臂正面投影上的距离；为获取俯仰关节J2到液压机械臂末端在机械臂正面投影上的距离L’21与水平面的夹角，dr表示从吊具的下平台中心o和目标物体中心T0的距离；3-3液压机械臂从初始位置运动到最佳抓捕位置时J3的增量角Δθ3为：Δθ3＝θ3T-θ3，其中，Δθ3为液压机械臂从初始位置运动到最佳抓捕位置时J3的增量角，θ3为液压机械臂位于初始位置时回转关节J3的角度；4根据求解出的各关节的增量角以及伸缩关节的增量长度，通过控制器实现液压机械臂对目标物体的抓捕；所述步骤4，具体为：通过视觉系统获取到的目标物体的位姿cx1，cy1，cz1，cε0求解出液压机械臂由当前位置运动到最佳抓捕位置时运动的各回转关节的增量角度，即运动参数，运动参数为：Δθ1，Δθ2，Δθ3，Δε以及伸缩关节的增量长度Δd4；控制器对液压机械臂进行轨迹规划，通过运动期望和获取安装在各个关节的上的位置传感器发送的位置反馈值对各个关节进行各关节的位置控制，实现闭环运动控制，通过对液压机械臂各关节的位置控制，进而实现液压机械臂对目标物体的抓捕。

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