本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，特別是一種3自由度氣動(dòng)串聯(lián)機(jī)械手的關(guān)節(jié)控制器。

背景技術(shù)：

目前大多數(shù)伺服機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)都是采用電動(dòng)機(jī)或液壓方式，在易燃易爆的環(huán)境中使用極不方便。氣動(dòng)技術(shù)是流體控制的一個(gè)重要分支，具有成本低、作效率高、功率質(zhì)量比大、無污染、使用維護(hù)方便以及對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)伺服技術(shù)已能滿足一些多點(diǎn)定位的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，但在要求更復(fù)雜、功能更精細(xì)的工業(yè)場(chǎng)合還存在一定難度，如噴漆機(jī)器人、涂膠機(jī)器人等對(duì)氣動(dòng)伺服連續(xù)軌跡控制有著更高的要求。BOBROW等建立了氣動(dòng)系統(tǒng)模型，使用擴(kuò)展的自適應(yīng)控制方法對(duì)3自由度氣動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)械手進(jìn)行了力/位置混合控制。楊慶俊等提出了氣動(dòng)系統(tǒng)反饋線性化并實(shí)現(xiàn)了較高精度的位置控制。柏艷紅等針對(duì)氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)位置系統(tǒng)提出了帶摩擦力矩補(bǔ)償?shù)碾p環(huán)控制。因此由氣動(dòng)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人己成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的熱門研究課題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重力矩、關(guān)節(jié)間耦合力和力矩等都會(huì)發(fā)生變化，這些因素對(duì)系統(tǒng)的影響降低了機(jī)械手末端運(yùn)動(dòng)精度，提出關(guān)節(jié)控制器應(yīng)具有一定魯棒性。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種3自由度氣動(dòng)串聯(lián)機(jī)械手的關(guān)節(jié)控制器。對(duì)關(guān)節(jié)控制器實(shí)施基于動(dòng)力學(xué)模型的前饋動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以減少甚至消除擾動(dòng)力矩對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)于減小跟蹤誤差，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能都有著較為理想的效果。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

所述3自由度氣動(dòng)機(jī)械手屬于關(guān)節(jié)串聯(lián)式開鏈機(jī)器人，機(jī)械手由腰、大臂、小臂3個(gè)關(guān)節(jié)組成。3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)位置可以控制機(jī)械手末端在迪卡爾空間坐標(biāo)系中的位置。該機(jī)械手的特點(diǎn)是工作范圍大、動(dòng)作靈活、通用性強(qiáng)。

所述腰部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)由比例流量閥驅(qū)動(dòng)齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)編碼器通過同步帶輪與腰部轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連檢測(cè)角度信號(hào)。大臂、小臂關(guān)節(jié)的俯仰運(yùn)動(dòng)均由比例流量閥驅(qū)動(dòng)單出桿雙作用直線氣缸實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)編碼器通過同步帶輪與相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軸相連檢測(cè)角度信號(hào)。

所述關(guān)節(jié)式氣動(dòng)位置系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)角與設(shè)定轉(zhuǎn)角的偏差計(jì)算出對(duì)比例閥的控制電壓，驅(qū)動(dòng)比例閥閥芯從而改變閥口開度控制氣缸氣體的流入與流出，使轉(zhuǎn)角達(dá)到設(shè)定值。由于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重力矩等參數(shù)均有較大的變化。要獲得較高的控制精度就要采用具有一定魯棒性的控制方法。極點(diǎn)配置法由于其計(jì)算量較小，實(shí)現(xiàn)較為簡單，受到了較多的關(guān)注，因此作為關(guān)節(jié)控制策略。以腰部關(guān)節(jié)為例說明關(guān)節(jié)控制器設(shè)計(jì)過程。

所述機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)，各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩與關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度均有關(guān)。若要取得較好的控制效果需準(zhǔn)確地計(jì)算關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，然后通過控制器實(shí)現(xiàn)。由于需要實(shí)時(shí)在線計(jì)算關(guān)節(jié)力矩，此方法增加了精確控制的難度。由路徑規(guī)劃計(jì)算得到的關(guān)節(jié)期望軌跡來計(jì)算各關(guān)節(jié)的擾動(dòng)力矩，通過前饋補(bǔ)償來減少乃至消除擾動(dòng)產(chǎn)生的誤差。由于系統(tǒng)的模型是規(guī)劃路徑的函數(shù)，而并非是機(jī)械手真實(shí)路徑的函數(shù)，所以這種方法計(jì)算得到的力矩與真實(shí)的擾動(dòng)力矩之間有一定的偏差，盡管如此仍具有較高的跟蹤精度。但是卻避免了以伺服速率進(jìn)行復(fù)雜費(fèi)時(shí)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，提高了控制效率。

所述機(jī)械手軌跡插補(bǔ)模塊對(duì)途徑點(diǎn)進(jìn)行分段，采用過四點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算，將結(jié)果輸入運(yùn)動(dòng)學(xué)反解模塊，計(jì)算關(guān)節(jié)坐標(biāo)下各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的角度，進(jìn)而將計(jì)算得到的關(guān)節(jié)軌跡送入到關(guān)節(jié)控制器模塊中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，最后由編碼器的測(cè)量值實(shí)時(shí)計(jì)算出機(jī)械手末端的位置。

本發(fā)明的有益效果是：對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了空間軌跡跟蹤試驗(yàn)，與未加前饋控制進(jìn)行了比較，結(jié)果表明系統(tǒng)的跟蹤誤差和穩(wěn)態(tài)誤差均明顯減少，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手較高精度的連續(xù)軌跡控制，為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是本發(fā)明的腰部關(guān)節(jié)組成原理圖。

圖3是本發(fā)明的關(guān)節(jié)前饋控制框圖。

圖4是本發(fā)明的控制程序流程圖。

圖中：1.小臂關(guān)節(jié)；2.大臂關(guān)節(jié)；3.腰部關(guān)節(jié)；4.壓力傳感器；5.流量比例閥；6.擺動(dòng)氣缸；7.旋轉(zhuǎn)編碼器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1，3自由度氣動(dòng)機(jī)械手屬于關(guān)節(jié)串聯(lián)式開鏈機(jī)器人,機(jī)械手由腰、大臂、小臂3個(gè)關(guān)節(jié)組成。3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)位置可以控制機(jī)械手末端在迪卡爾空間坐標(biāo)系中的位置。該機(jī)械手的特點(diǎn)是工作范圍大、動(dòng)作靈活、通用性強(qiáng)。

腰部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)由比例流量閥驅(qū)動(dòng)齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)編碼器通過同步帶輪與腰部轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連檢測(cè)角度信號(hào)。大臂、小臂關(guān)節(jié)的俯仰運(yùn)動(dòng)均由比例流量閥驅(qū)動(dòng)單出桿雙作用直線氣缸實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)編碼器通過同步帶輪與相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軸相連檢測(cè)角度信號(hào)。

如圖2，關(guān)節(jié)式氣動(dòng)位置系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)角與設(shè)定轉(zhuǎn)角的偏差計(jì)算出對(duì)比例閥的控制電壓，驅(qū)動(dòng)比例閥閥芯從而改變閥口開度控制氣缸氣體的流入與流出，使轉(zhuǎn)角達(dá)到設(shè)定值。由于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重力矩等參數(shù)均有較大的變化。要獲得較高的控制精度就要采用具有一定魯棒性的控制方法。極點(diǎn)配置法由于其計(jì)算量較小，實(shí)現(xiàn)較為簡單，受到了較多的關(guān)注，因此作為關(guān)節(jié)控制策略。以腰部關(guān)節(jié)為例說明關(guān)節(jié)控制器設(shè)計(jì)過程。

如圖3，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)，各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩與關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度均有關(guān)。若要取得較好的控制效果需準(zhǔn)確地計(jì)算關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，然后通過控制器實(shí)現(xiàn)。由于需要實(shí)時(shí)在線計(jì)算關(guān)節(jié)力矩，此方法增加了精確控制的難度。由路徑規(guī)劃計(jì)算得到的關(guān)節(jié)期望軌跡來計(jì)算各關(guān)節(jié)的擾動(dòng)力矩，通過前饋補(bǔ)償來減少乃至消除擾動(dòng)產(chǎn)生的誤差。由于系統(tǒng)的模型是規(guī)劃路徑的函數(shù)，而并非是機(jī)械手真實(shí)路徑的函數(shù)，所以這種方法計(jì)算得到的力矩與真實(shí)的擾動(dòng)力矩之間有一定的偏差，盡管如此仍具有較高的跟蹤精度。但是卻避免了以伺服速率進(jìn)行復(fù)雜費(fèi)時(shí)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，提高了控制效率。

如圖4，機(jī)械手軌跡插補(bǔ)模塊對(duì)途徑點(diǎn)進(jìn)行分段，采用過四點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算，將結(jié)果輸入運(yùn)動(dòng)學(xué)反解模塊，計(jì)算關(guān)節(jié)坐標(biāo)下各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的角度，進(jìn)而將計(jì)算得到的關(guān)節(jié)軌跡送入到關(guān)節(jié)控制器模塊中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，最后由編碼器的測(cè)量值實(shí)時(shí)計(jì)算出機(jī)械手末端的位置。