冗余机械臂优化控制新方法
廖柏林，杨
喜，梁平元
LIAOBolin,YANGXi,LIANGPingyuan
吉首大学信息科学与工程学院，湖南吉首416000
CollegeofInformationScienceandEngineering,JishouUniversity,Jishou,Hunan416000,China
LIAOBolin,YANGXi,LIANGPingyuan.Newoptimizationcontrolschemeforredundantrobotmanipulators.ComputerEngineeringandApplications,2013,49（14）：236-240.
Abstract：Anewpseudoinverse-basedoptimizationschemeforfive-degree-of-freedomredundantmanipulatorsisproposed.Usinganadjustablecoefficient,theschemecombinestheMinimumVelocityNorm（MVN）schemeandtheMinimumAccelera-tionNorm（MAN）schemetorealizetheoptimalcontrolofredundantrobotmanipulators.Suchanoptimalschemecanachievetheminimizationofjoint-velocitynormandjoint-accelerationnormatthesametime.Besides,theproposedoptimizationschemecanalsomakethejointvelocityoftherobotmanipulatortobenearzeroattheendofthemotion.Computersimulationresultsfurtherverifythefeasibilityandthesuperiorityoftheproposedoptimalcontrolscheme.Keywords：redundantrobotmanipulators;pseudoinverse;weightedcombination;optimalcontrol摘
要：针对五自由度冗余机械臂，提出了一种新的基于伪逆的优化控制方法：利用一个可调权值因子，将最小速度范数
方法（加速度层）和最小加速度范数方法进行加权组合，来实现对冗余机械臂的运动控制。该优化方法可以实现关节速度范数和关节加速度范数的同时最小化，而且使得机械臂的关节速度在运动末态时接近零。计算机仿真结果进一步验证了所给出的优化控制方法的可行性和优越性。关键词：冗余机械臂；伪逆；加权组合；优化控制文献标志码：A
中图分类号：TP271
doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1303-0120
1引言
度解析方法是最小化速度范数（MinimumVelocityNorm，
随着科技的发展，冗余机械臂已受到人们的广泛关注[1-4]，
MVN）方法[2，12-13]
。这种方法通过对关节速度的平方和作最
其应用也已扩展到许多工程场合（如焊接组装、宇宙探索小化来控制冗余机械臂，具有简单、易处理以及末态速度和医疗手术等多种行业）。许多研究者都致力于冗余机械
为零等优点。但是，要特别指出的是，MVN方法（因其属于臂的研究[2-3，
5-10]
。其中，逆运动学求解是研究的核心内容之速度控制的方法）只适用于由速度控制的机械臂，难以直一[6-11]：
给定机械臂末端的位置、速度或加速度变量，求解相接应用于由加速度控制的机械臂（也即，控制对象的属性应的机械臂关节角度、关节速度或关节加速度。逆运动学
为加速度控制），这也就限制了此方法的适用范围。因而求解问题又称冗余度解析问题[2，
12]
。通过合适地求解冗余许多研究者探讨加速度层上的冗余度解析方法来实现对
度解析问题，就能完成对冗余机械臂的运动控制。对于冗
机械臂的运动控制[2，12，14-15]
。在这些方法中，研究较为广泛
余度解析问题的求解，通常是采用基于伪逆的方法[2，
9，11]
，即的方法就是最小化加速度范数（MinimumAcceleration将问题的解写为一个最小范数解加上一个同类解。考虑Norm，MAN）方法[2，12，14]：对关节加速度的平方和作最小到伪逆方法具有结构简单和易于实现等特点，许多工程应化。MAN方法不仅适用于由加速度控制的机械臂，也可应用者和研究者开发和探讨了多种不同的基于伪逆的优化
用于由速度控制的机械臂（利用其解析得到的速度）。但方法来控制冗余机械臂的运动[2，
11-14]
。是MAN方法容易引入关节末态速度不为零的问题。显通常，冗余度解析问题可在速度层上[2，11-13]和加速度
然，这在实际工程应用中是不可接受的。
层[2，
12，14]
分别进行求解。在速度层上使用较为广泛的冗余基于以上分析，本文提出了一种新的基于伪逆的加速
基金项目：国家自然科学基金（No.61102089）；湖南省教育厅科研资助项目（No.10C1087）。
作者简介：廖柏林（1981—），男，讲师，研究领域为机械臂控制、过程控制、神经网络；杨喜（1978—），男，副教授，研究方向为认知无线电技
术、机械臂控制；梁平元（1972—），男，教授，研究方向为无线传感器网络、机械臂控制。E-mail：mulinliao8184@163.com
收稿日期：2013-03-11
修回日期：2013-04-26
文章编号：1002-8331（2013）14-0236-05
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