本發(fā)明涉及機(jī)器人控制，更具體的說(shuō)是涉及一種抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，混凝土地面處理作為建筑施工中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)地面平整度和光潔度的要求日益提高。傳統(tǒng)的混凝土地面抹光作業(yè)主要依靠人工手持抹光工具進(jìn)行，這種方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下，而且難以保證施工質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。隨著科技的進(jìn)步和自動(dòng)化、智能化技術(shù)的普及，建筑行業(yè)逐漸開(kāi)始探索使用抹光機(jī)器人來(lái)替代傳統(tǒng)的手工抹光作業(yè)。

2、抹光機(jī)器人在復(fù)雜施工環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制，以確保抹光效果的均勻性和一致性。然而，由于施工環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，抹光機(jī)器人對(duì)抹光作業(yè)運(yùn)動(dòng)控制的精確性和平滑性仍然面臨挑戰(zhàn)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同施工環(huán)境的快速適應(yīng)和靈活調(diào)整。

3、因此，如何提出一種抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法及系統(tǒng)，提高抹光機(jī)器人移動(dòng)控制的精確性和平滑性，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法及系統(tǒng)，能夠提高抹光機(jī)器人移動(dòng)控制的精確性和平滑性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一方面，本發(fā)明提出一種抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，包括以下步驟：

4、對(duì)抹光機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，結(jié)合避障算法生成抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線；

5、所述抹光機(jī)器人沿所述運(yùn)動(dòng)路線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)獲取所述抹光機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息、地面環(huán)境參數(shù)信息以及與地面的接觸力；

6、將所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息、地面環(huán)境參數(shù)信息作為模型預(yù)測(cè)控制器的輸入，得到傾角調(diào)整信息；

7、根據(jù)所述傾角調(diào)整信息調(diào)整抹光機(jī)器人的抹盤(pán)機(jī)構(gòu)；

8、根據(jù)所述接觸力構(gòu)建接觸力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合約束條件對(duì)所述接觸力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解，根據(jù)求解結(jié)果調(diào)整接觸力大小。

9、優(yōu)選的，對(duì)抹光機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，結(jié)合避障算法生成抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線，包括：

10、對(duì)所述抹光機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行建模，利用a*算法生成一條從起點(diǎn)位置到目標(biāo)位置的最優(yōu)路徑；

11、根據(jù)避障算法確定最佳運(yùn)動(dòng)策略；

12、基于最佳運(yùn)動(dòng)策略和最優(yōu)路徑，通過(guò)插值方法生成抹光機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線。

13、優(yōu)選的，根據(jù)避障算法確定最佳運(yùn)動(dòng)策略，包括：

14、使用傳感器獲取抹光機(jī)器人信息和障礙物信息，根據(jù)所述障礙物信息確定障礙物距離，所述障礙物距離為所述抹光機(jī)器人到障礙物的距離；

15、根據(jù)抹光機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性生成多個(gè)數(shù)據(jù)組，每個(gè)數(shù)據(jù)組包括一個(gè)速度和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向角度；

16、對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)組，模擬所述抹光機(jī)器人在給定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡；

17、分別計(jì)算每個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡與障礙物以及目標(biāo)位置的距離；

18、選擇具有最小障礙物距離和最小目標(biāo)距離的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)組作為最佳運(yùn)動(dòng)策略。

19、優(yōu)選的，將所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息、地面環(huán)境參數(shù)信息作為模型預(yù)測(cè)控制器的輸入，得到傾角調(diào)整信息，包括：

20、建立預(yù)測(cè)模型；

21、基于所述預(yù)測(cè)模型的輸出結(jié)果結(jié)合控制輸入約束建立第一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

22、在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)對(duì)所述第一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解傾角調(diào)整信息。

23、優(yōu)選的，所述預(yù)測(cè)模型公式如下：

24、x(k+1)＝a·x(k)+b·u(k)；

25、其中，x(k+1)是第k+1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的軌跡狀態(tài)，x(k)是第k個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的軌跡狀態(tài)，u(k)是第k個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的控制輸入，a和b是系統(tǒng)矩陣；

26、所述第一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)l公式如下：

27、

28、式中，x(k+i)是第k+i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的預(yù)測(cè)軌跡狀態(tài)，q和r是權(quán)重矩陣，1-n是預(yù)測(cè)范圍，表示從當(dāng)前時(shí)刻開(kāi)始預(yù)測(cè)范圍的最后時(shí)刻的每個(gè)時(shí)間步的狀態(tài)，xref(k+i)是在時(shí)刻k+i的期望軌跡狀態(tài)，u(k+i)是控制輸入；

29、根據(jù)所述預(yù)測(cè)模型公式，最小化所述第一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

30、優(yōu)選的，根據(jù)所述接觸力構(gòu)建接觸力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合約束條件對(duì)所述接觸力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解，根據(jù)求解結(jié)果調(diào)整接觸力大小，包括：

31、根據(jù)跟蹤誤差和控制輸入平滑性構(gòu)建接觸力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)j，公式如下：

32、

33、其中，fdesired是期望接觸力，f(i)為第i個(gè)預(yù)測(cè)步長(zhǎng)的實(shí)際接觸力，δu(i)是第i個(gè)控制輸入的變化量，q和r是權(quán)重矩陣，1-n是預(yù)測(cè)范圍。

34、優(yōu)選的，所述約束條件包括系統(tǒng)動(dòng)態(tài)約束和操作約束；

35、所述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)約束如下：

36、x(k+1)＝a·x(k)+b·u(k)

37、其中x(k)是第k個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的軌跡狀態(tài)；u(k)是第k個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的控制輸入，f(·)是系統(tǒng)模型函數(shù)；

38、所述操作約束包括：

39、控制輸入約束：umin≤u(k)≤umax；

40、系統(tǒng)輸出約束：xmin≤x(k)≤xmax；

41、式中，umin表示控制輸入的最小值，umax表示控制輸入的最大值，xmin表示系統(tǒng)狀態(tài)的最小值，xmax表示系統(tǒng)狀態(tài)的最大值。

42、另一方面，本發(fā)明還公開(kāi)一種抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)上述抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，包括：

43、運(yùn)動(dòng)路線生成模塊，用于對(duì)抹光機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，結(jié)合避障算法生成抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線；

44、參數(shù)獲取模塊，用于所述抹光機(jī)器人沿所述運(yùn)動(dòng)路線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)獲取所述抹光機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息、地面環(huán)境參數(shù)信息以及與地面的接觸力；

45、傾角調(diào)整模塊，用于將所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息、地面環(huán)境參數(shù)信息作為模型預(yù)測(cè)控制器的輸入，得到傾角調(diào)整信息；

46、抹盤(pán)機(jī)構(gòu)調(diào)整模塊，用于根據(jù)所述傾角調(diào)整信息調(diào)整抹光機(jī)器人的抹盤(pán)機(jī)構(gòu)；

47、接觸力調(diào)整模塊，用于根據(jù)所述接觸力構(gòu)建接觸力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合約束條件對(duì)所述接觸力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解，根據(jù)求解結(jié)果調(diào)整接觸力大小。

48、優(yōu)選的，所述運(yùn)動(dòng)路線生成模塊包括：

49、最優(yōu)路徑生成單元，用于對(duì)所述抹光機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行建模，利用a*算法生成一條從起點(diǎn)位置到目標(biāo)位置的最優(yōu)路徑；

50、最佳運(yùn)動(dòng)策略生成單元，用于根據(jù)避障算法確定最佳運(yùn)動(dòng)策略；

51、運(yùn)動(dòng)路線生成單元，用于基于最佳運(yùn)動(dòng)策略和最優(yōu)路徑，通過(guò)插值方法生成抹光機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線。

52、優(yōu)選的，所述傾角調(diào)整模塊包括：

53、模型構(gòu)建單元，用于建立預(yù)測(cè)模型；

54、目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建單元，用于基于所述預(yù)測(cè)模型的輸出結(jié)果結(jié)合控制輸入約束建立第一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

55、傾角調(diào)整信息獲取單元，用于在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)對(duì)所述第一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解傾角調(diào)整信息。

56、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開(kāi)提供了一種抹光機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法及系統(tǒng)，結(jié)合路徑規(guī)劃和避障算法獲得抹光機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線，確保抹光機(jī)器人施工過(guò)程的連續(xù)性和安全性；實(shí)時(shí)控制技術(shù)結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制器(mpc)能夠根據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息和地面環(huán)境參數(shù)信息，預(yù)測(cè)抹光機(jī)器人未來(lái)的系統(tǒng)行為并據(jù)此調(diào)整控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)抹光機(jī)器人對(duì)抹光機(jī)構(gòu)(抹光裝置)動(dòng)作的微調(diào)；同時(shí)，本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抹光機(jī)器人與地面的接觸力，并根據(jù)不同地面特性施加適當(dāng)?shù)慕佑|力，可以進(jìn)一步提高抹光效果，同時(shí)減少對(duì)混凝土表面的損傷風(fēng)險(xiǎn)。