一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置，屬于視覺(jué)伺服機(jī)械臂控 制系統(tǒng)在輸入信號(hào)上的改造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人技術(shù)的研究已有幾十年的歷史。在這個(gè)過(guò)程中，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)一直處于簡(jiǎn) 單到復(fù)雜、從單一到多樣、從低級(jí)到高級(jí)的不斷發(fā)展過(guò)程中。隨著技術(shù)的發(fā)展，那些限制機(jī) 器人適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的技術(shù)被逐步攻克。在這個(gè)過(guò)程中，傳感器的引入為機(jī)器人感知復(fù)雜環(huán) 境提供了可能。多種多樣的傳感器為機(jī)器人提供了大量的環(huán)境信息。為了更好地模仿人類 獲取環(huán)境信息的機(jī)制，人們?yōu)闄C(jī)器人引入了視覺(jué)傳感器。由此，機(jī)器人視覺(jué)傳感器與執(zhí)行器 之間的控制策略成為研究熱點(diǎn)。視覺(jué)伺服正是這樣一種利用視覺(jué)傳感器的反饋的信息構(gòu)建 機(jī)器人閉環(huán)控制系統(tǒng)的技術(shù)。
[0003] 視覺(jué)伺服考慮的是使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)據(jù)去控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。視覺(jué)數(shù)據(jù)可以由固 定的視覺(jué)傳感器或者移動(dòng)的視覺(jué)傳感器獲得，分別稱為手眼分離系統(tǒng)和手眼系統(tǒng)。根據(jù)視 覺(jué)信息的不同，視覺(jué)伺服分為兩種：基于圖像的視覺(jué)伺服和基于位置的視覺(jué)伺服。在基于圖 像的視覺(jué)伺服中，圖像特征包含可以立即從圖像數(shù)據(jù)中獲得特征的集合，直接以圖像計(jì)算 誤差，傳遞給機(jī)器人控制器來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這種方法對(duì)機(jī)器人的位姿不敏感，但是控 制器設(shè)計(jì)比較麻煩。在基于位置的視覺(jué)伺服中，特征包含從圖像中計(jì)算出來(lái)的目標(biāo)三維參 數(shù)集合，從而來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直接反饋位置信號(hào)，控制器設(shè)計(jì)比較 容易。但該方法需要計(jì)算圖像的三維信息，獲取目標(biāo)的空間坐標(biāo)，同時(shí)，目標(biāo)的位置依賴于 機(jī)器人和攝像機(jī)的位姿，對(duì)機(jī)器人和攝像機(jī)的標(biāo)定誤差比較敏感。
[0004] 視覺(jué)伺服雖然為機(jī)器人控制提供了更多環(huán)境信息，但是制約視覺(jué)伺服控制器精度 的一大問(wèn)題是相機(jī)的標(biāo)定問(wèn)題。相機(jī)標(biāo)定確定相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)建立像素坐標(biāo)與實(shí) 際尺寸坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。相機(jī)標(biāo)定精度直接影響了視覺(jué)伺服的控制精度。同時(shí)，基于 視覺(jué)伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，常見的非線性因素會(huì)影響系統(tǒng) 的控制精度，比如類反彈磁滯就是一種常見的非線性因素。例如，機(jī)械系統(tǒng)中的齒隙會(huì)造成 磁滯現(xiàn)象，變速箱中的齒輪咬合不緊時(shí)，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的機(jī)械特性會(huì)類似于上述施密特觸發(fā) 器的特性曲線。這個(gè)現(xiàn)象叫做反彈。正是由于類反彈磁滯約束的存在，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的 性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于考慮視覺(jué)伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)輸入信號(hào)受磁滯非線性約束影 響而提出一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置。
[0006] 本發(fā)明專利的技術(shù)方案是：
[0007]-種視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置，包括視覺(jué)伺服控制器（1)、視覺(jué)模塊 (2)、運(yùn)動(dòng)控制模塊（3)、驅(qū)動(dòng)模塊（4)、六自由度機(jī)械臂（5)、力矩反饋模塊(6)、速度（7)與 位置采集模塊（8)和檢測(cè)模塊（9)組成；視覺(jué)控制器（1)由控制器信號(hào)發(fā)生單元（11)、自 適應(yīng)磁滯消去裝置（12)、自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置（13)、通信單元（14)、計(jì)算機(jī)控制單元（15) 組成；其特征在于視覺(jué)伺服控制器（1)接收?qǐng)D像處理單元（23)得到的實(shí)際圖像軌跡和期望 的圖像軌跡形成的誤差信號(hào)、由位置采集模塊（7)采集的位置信號(hào)、由速度采集模塊（8)采 集的速度信號(hào)、由力矩反饋模塊（6)采集的位置信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算控制單元（15)運(yùn)算， 由視覺(jué)伺服控制器（1)與視覺(jué)模塊（2)之間的通信單元（14) (21)交換由自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定 裝置（13)標(biāo)定的相機(jī)參數(shù)，由自適應(yīng)磁滯消去裝置（12)在線估計(jì)磁滯模型參數(shù)并作用于 控制信號(hào)，由控制信號(hào)發(fā)生單元（11)發(fā)送控制信號(hào)到運(yùn)動(dòng)控制模塊（3);運(yùn)動(dòng)控制模塊（3) 根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生PWM波傳遞到驅(qū)動(dòng)模塊（4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械臂（5)運(yùn)動(dòng)；通過(guò)檢測(cè)模塊（9) 構(gòu)成控制閉環(huán)；視覺(jué)模塊（2)采集機(jī)械臂（5)末端執(zhí)行器上特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)并反饋到視 覺(jué)伺服控制器（1)，形成非線性磁滯消去的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)。
[0008] 上述自適應(yīng)磁滯消去裝置（12)，包含自適應(yīng)模塊（121)，磁滯消去模塊（122)、運(yùn) 算控制模塊（123);自適應(yīng)模塊（121)包含自適應(yīng)律存儲(chǔ)器（1211)、磁滯參數(shù)調(diào)整值存儲(chǔ) 器（1212)、磁滯參數(shù)初始值存儲(chǔ)器（1213);運(yùn)算控制模塊（122)，包含運(yùn)算存儲(chǔ)器（1231) (1234)、積分模塊（1232)、微分模塊（1233)、加減運(yùn)算模塊（1236)、乘除運(yùn)算模塊（1235)。
[0009] 上述視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置，其主要原理是由驅(qū)動(dòng)模塊（4)中的 電機(jī)輸出力矩，經(jīng)過(guò)力矩反饋模塊（6)和傳動(dòng)裝置（44)帶動(dòng)六自由度機(jī)械臂（5)運(yùn)動(dòng)；力 矩反饋模塊（6)、速度采集模塊（7)和位置采集模塊（8)分別將采集到的力矩、速度和位置 信息反饋到計(jì)算機(jī)運(yùn)算控制單元（15);自適應(yīng)磁滯消去裝置（12)估計(jì)磁滯模型參數(shù)，經(jīng)控 制信號(hào)發(fā)生單元（11)傳遞控制信號(hào)到運(yùn)動(dòng)控制模塊（3)和驅(qū)動(dòng)模塊（4)，消去磁滯非線性， 提尚系統(tǒng)控制精度。
[0010] 上述自適應(yīng)磁滯消去裝置（12)中，自適應(yīng)模塊（121)中的自適應(yīng)律存儲(chǔ)器（1211) 存儲(chǔ)了自適應(yīng)律的編程代碼，其數(shù)學(xué)形式表述為：
[0011]
[0012] 其中，妄=?-5,Λ=diagl^Ap· · ·，AJ)是一個(gè)ηΧη正定對(duì)角矩陣，滿足八；> 〇，<?=忒〇客([為，...，毛])為8 1=1/01，1 = 1，...，]1的估計(jì)。定義/^ =庚？ + 與〒，7 =汗， 其中τ即為控制輸入。定義5 為參數(shù)D的估計(jì)誤差，參數(shù)D的調(diào)整自適應(yīng)律為：
[0013]
[0014] 其中，Π=diag([Πρ· · ·，ΠJ)是一個(gè)ηΧη正定對(duì)角矩陣，滿足ΠΡ0。
[0015] 上述兩個(gè)自適應(yīng)律用來(lái)估計(jì)磁滯模型的參數(shù)，類反彈磁滯模型描述如下：
[0016]
[0017]其中，δ是控制輸入，ω(δ)代表磁滯輸出，X，c，常量。c>0是磁滯曲線 的斜率。模型可以被改寫為：
[0018]ω(t) =cδ(t)+d(δ)
[0019]
[0020] 雖然磁滯非線性約束可以用上面的模型描述，可是并不能用來(lái)解決磁滯非線性問(wèn) 題。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了自適應(yīng)磁滯消去裝置，其中的自適應(yīng)律用來(lái)在線估計(jì)磁滯模型的參數(shù)。 前述的自適應(yīng)律存儲(chǔ)器（1211)用來(lái)存儲(chǔ)在線更新參數(shù)使用的自適應(yīng)律。磁滯參數(shù)初始值 存儲(chǔ)器（1213)用來(lái)存儲(chǔ)磁滯模型初始參數(shù)，磁滯參數(shù)調(diào)整值存儲(chǔ)器（1212)用來(lái)存儲(chǔ)參數(shù) 調(diào)整值。
[0021] 上述視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置，其特征在于磁滯消去模塊（122)中 參數(shù)存儲(chǔ)器（1221)中的參數(shù)經(jīng)功率放大器（1222)驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)（1223)，經(jīng)過(guò)閾值電路 (1224)到達(dá)發(fā)生電路（1225)輸出信號(hào)到控制信號(hào)發(fā)生單元。
[0022] 上述視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置，其特征在于運(yùn)算控制模塊（123)進(jìn) 行數(shù)學(xué)運(yùn)算。運(yùn)算存儲(chǔ)器（1231) (1234)分別存儲(chǔ)計(jì)算前后參數(shù)，加減運(yùn)算模塊（1236)、乘 除運(yùn)算模塊（1235)、積分模塊（1232)和微分模塊（1233)分別進(jìn)行加減法、乘除法、積分和 微分運(yùn)算。
[0023] 上述視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置，其特征在于上述檢測(cè)模塊（9)實(shí)現(xiàn) 參數(shù)檢測(cè)并提供三個(gè)閉環(huán)控制的閉環(huán)反饋信號(hào)，包括QEP電路（91)和頻率測(cè)量電路（92)、 光電編碼器（93)、A/D轉(zhuǎn)換器（94)、電流傳感器（95)。電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器（93)輸出 脈沖信號(hào)到QEP電路（91)和頻率測(cè)量電路（92)，脈沖信號(hào)經(jīng)由QEP電路（91)處理得到位 置反饋信號(hào)，經(jīng)由頻率測(cè)量電路（92)處理得到速度反饋信號(hào)。上述驅(qū)動(dòng)模塊（4)上的電流 傳感器（95)將驅(qū)動(dòng)器（41)輸出電流反饋到A/D(94)得到電流信號(hào)，并將電流信號(hào)送到電 流控制（33)。這樣就構(gòu)成了三個(gè)控制閉環(huán)。
[0024] 上述視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置，其特征在于上述六自由度機(jī)械臂 (4)的末端執(zhí)行器上標(biāo)記多個(gè)供相機(jī)單元（24)拍攝、圖像處理單元（23)檢測(cè)特征點(diǎn)，將檢 測(cè)到的特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。這些圖像坐標(biāo)由視覺(jué)模塊（2)得到。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1帶磁滯非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)總體框圖
[0026] 圖2自適應(yīng)磁滯消去裝置原理圖
[0027] 圖3手眼分離視覺(jué)伺服物理結(jié)構(gòu)原理框圖
[0028] 圖4磁滯非線性曲線
[0029] 圖5視覺(jué)伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)框圖
【具體實(shí)施方式】
[0030] 實(shí)施案例：
[0031] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自適應(yīng)磁滯消去裝置，利用設(shè)計(jì)的自適應(yīng)律來(lái) 在線估計(jì)磁滯非線性約束模型的參數(shù)和無(wú)標(biāo)定相機(jī)參數(shù)，能有效地消除輸入信號(hào)受約束下 的視覺(jué)伺服控制器控制機(jī)械臂，從而使得機(jī)械臂末端執(zhí)行器上的特征點(diǎn)在圖像平面上的軌 跡以較高的精度跟蹤期望軌跡。下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】本發(fā)明涉及的一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂的自 適應(yīng)磁滯消去裝置的【具體實(shí)施方式】。
[0032] 圖1為帶磁滯非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)總體框圖。圖1中設(shè)計(jì)視覺(jué)伺 服控制器的目的是：相機(jī)未標(biāo)定以及機(jī)械臂輸入力矩受磁滯非線性約束的情況下，控制機(jī) 械臂運(yùn)動(dòng)，達(dá)到機(jī)械臂末端執(zhí)行器上特征點(diǎn)在圖像平面上的投影能夠跟蹤給定期望圖像軌 跡。視覺(jué)伺服控制器接收?qǐng)D像處理單元得到的實(shí)際圖像軌跡和期望圖像軌跡形成的誤差信 號(hào)、位置采集模塊采集的位置信號(hào)、速度采集模塊采集的速度信號(hào)、力矩反饋模塊采集的力 矩信號(hào)，經(jīng)由計(jì)算機(jī)運(yùn)算控制單元運(yùn)算，由伺服視覺(jué)控制器與視覺(jué)模塊之間的通信單元進(jìn) 行信息交換。自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置在線標(biāo)定相機(jī)，由自適應(yīng)磁滯消去裝置估計(jì)磁滯模型參 數(shù)并產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)發(fā)生單元將控制信號(hào)發(fā)送到控制模塊；運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)控 制信號(hào)產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)模塊檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出電流、速 度和位置信息，并反饋到運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)控制閉環(huán)；視覺(jué)模塊采集機(jī)械臂末端執(zhí)行器特 征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)并反饋到控制器輸入，形成帶有磁滯約束的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)閉環(huán)，控制 器根據(jù)