一种多自由度液压机械臂实时控制系统及方法技术方案

本发明专利技术属于机器人控制领域，提供了一种多自由度液压机械臂实时控制系统及方法。该控制系统包括，液压机械臂模块、交互单元和控制单元，所述液压机械臂模块包括安装在自由度液压驱动机械臂本体的每个关节处的编码器，所述编码器用于获得每个关节的实时角度；所述交互单元用于实现与控制单元之间的数据传输和交互；所述控制单元用于根据预设的位姿指令，基于液压机械臂模块获取的每个关节的实时角度，采用逆解算法得到待跟踪的关节角度，以此控制液压机械臂的运动；所述编码器实时反馈角度，以使控制单元基于反馈角度，采用正解算法得到液压机械臂的当前位姿状态。本发明专利技术保证了液压机械臂的运动可靠、高实时性，并且便于安装与维护等。等。等。

A real-time control system and method of multi degree of freedom hydraulic manipulator

【技术实现步骤摘要】
一种多自由度液压机械臂实时控制系统及方法


[0001]本专利技术属于机器人控制领域，具体涉及一种多自由度液压机械臂实时控制系统及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]随着机器人技术的发展，机器人已经被广泛应用于工业、农业、家庭、服务、医疗、军事等领域。常见的机器人驱动系统主要是电机驱动。电机驱动具有噪声小，精度高等优点，但是对于大负载而言，电机驱动则需要体积较为庞大。液压驱动机械臂系统相较于电机驱动系统，其在采用相对较小的体积与机构的情况下具有更高的负载能力、高速运行等特点，被广泛应用于重载、水下、特种作业等场合。例如消防救援、强磁场干扰环境、石化燃爆环境的处置作业等。现有的工业机械臂样式较为统一，具有一套成熟的体系架构与控制系统，液压机械臂有较为灵活的设计结构，多采用活塞式液压缸作为驱动单元推动机械臂连杆做旋转运动，其具有阻滞和爬行等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种多自由度液压机械臂实时控制系统及方法，本专利技术实现了对液压驱动机械臂的实时高精度稳定控制。
[0005]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]第一个方面，本专利技术提供了一种多自由度液压机械臂实时控制系统。
[0007]一种多自由度液压机械臂实时控制系统，包括：液压机械臂模块、交互单元和控制单元，所述液压机械臂模块包括安装在自由度液压驱动机械臂本体的每个关节处的编码器，所述编码器用于获得每个关节的实时角度；
[0008]所述交互单元用于实现与控制单元之间的数据传输和交互；
[0009]所述控制单元用于根据预设的位姿指令，基于液压机械臂模块获取的每个关节的实时角度，采用逆解算法得到待跟踪的关节角度，以此控制液压机械臂的运动；所述编码器实时反馈角度，以使控制单元基于反馈角度，采用正解算法得到液压机械臂的当前位姿状态。
[0010]进一步地，所述液压机械臂模块由液压伺服控制系统控制，所述液压伺服控制系统包括液压散热循环系统和液压伺服驱动系统，所述液压伺服驱动系统包括液压机械臂系统。
[0011]进一步地，所述液压伺服驱动系统用于根据逆解算法求解期望角度，根据高增益微分器得到实际角度，将期望角度与实际角度的差值作为控制器的输入量，求解期望的液压伺服阀的位置补偿电压，根据位置补偿电压控制液压机械臂系统运动。
[0012]进一步地，所述控制器包括高增益微分器、PID模块和RBF神经网络模块，所述高增
益微分器用于根据编码器获取的每个关节的实时角度，得到每个关节的速度。
[0013]进一步地，所述位置补偿电压为：
[0014]u＝u
p
+y
j
+εsign(s)+ks，ε>0,k>0
[0015]其中，y
j
是对于RBF神经网络的估计补偿项，εsign(s)+ks是鲁棒滑模项，其中是滤波跟踪误差，e＝θ
d
‑
θ是跟踪误差。
[0016]更进一步地，所述RBF神经网络的估计补偿项y
j
为：
[0017][0018]其中，ω是输出层的权值，h是隐含层的节点个数，n为输出的样本数，y为神经网络的输出。
[0019]进一步地，所述逆解算法包括：在迭代开始时，采用Levenberg
–
Marquardt作为起始迭代方法，在小于残差显示下降阈值时，切换为拟牛顿方法实现算法的二阶快速收敛。
[0020]进一步地，所述采用正解算法得到液压机械臂的当前位姿状态具体包括：采用连杆的齐次坐标变换矩阵求解末端连杆坐标系相对于基坐标系的变换矩阵，根据末端连杆坐标系相对于基坐标系的变换矩阵，得到液压机械臂的当前位姿状态。
[0021]进一步地，所述液压机械臂模块还包括六自由度液压驱动机械臂本体、电液伺服阀和液压缸，所述电液伺服阀控制液压缸的液压油流量推动连杆运动。
[0022]第二个方面，本专利技术提供了一种多自由度液压机械臂实时控制方法。
[0023]一种多自由度液压机械臂实时控制方法，采用第一个方面所述的多自由度液压机械臂实时控制系统，包括：
[0024]确定期望的位姿指令；
[0025]采用逆解算法得到待跟踪关节的实际角度；
[0026]根据实际角度结合期望角度控制液压伺服驱动器实现跟踪，得到位置补偿电压；用于控制液压机械臂；
[0027]编码器反馈关节的实时的角度，采用正解算法得到液压机械臂的当前位姿状态。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0029]1、本专利技术基于误差补偿的鲁棒PID控制策略，相对于传统的PID控制具有更好的鲁棒性与跟踪精度。
[0030]2、本专利技术针对多轴机器人逆运动学解析解求解复杂的问题，设计了基于LM与拟牛顿融合的迭代逆运动学求解算法，更具有通用性。
[0031]3、本专利技术基于运动控制编程软件CODESYS搭建了实时运动控制系统，采用“虚驱实”的多轴运动控制方案，能得出更好的运动规划，实现位置跟踪。
[0032]4、本专利技术采用实时EtherCAT总线通信建立机械臂控制器与液压机械臂从站之间的通信，保证了机械臂系统的高同步精度、低延时、高通信速率等。
附图说明
[0033]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示
意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0034]图1是本专利技术实施例中示出的多自由度液压机械臂实时控制系统的整体架构图；
[0035]图2是本专利技术实施例中示出的多自由度液压机械臂实时控制系统的流程图；
[0036]图3是本专利技术实施例中示出的液压伺服控制系统的整体架构图；
[0037]图4是本专利技术实施例中示出的液压伺服驱动系统误差补偿过程的流程图；
[0038]图5是本专利技术实施例中示出的逆运动学联合求解方法的流程图；
[0039]图6是本专利技术实施例中示出的“虚驱实”的多轴运动控制方案的流程图。
具体实施方式
[0040]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0041]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0042]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0043]本专利技术中，术语如“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多自由度液压机械臂实时控制系统，其特征在于，包括：液压机械臂模块、交互单元和控制单元，所述液压机械臂模块包括安装在自由度液压驱动机械臂本体的每个关节处的编码器，所述编码器用于获得每个关节的实时角度；所述交互单元用于实现与控制单元之间的数据传输和交互；所述控制单元用于根据预设的位姿指令，基于液压机械臂模块获取的每个关节的实时角度，采用逆解算法得到待跟踪的关节角度，以此控制液压机械臂的运动；所述编码器实时反馈角度，以使控制单元基于反馈角度，采用正解算法得到液压机械臂的当前位姿状态。2.根据权利要求1所述的多自由度液压机械臂实时控制系统，其特征在于，所述液压机械臂模块由液压伺服控制系统控制，所述液压伺服控制系统包括液压散热循环系统和液压伺服驱动系统，所述液压伺服驱动系统包括液压机械臂系统。3.根据权利要求2所述的多自由度液压机械臂实时控制系统，其特征在于，所述液压伺服驱动系统用于根据逆解算法求解期望角度，根据高增益微分器得到实际角度，将期望角度与实际角度的差值作为控制器的输入量，求解期望的液压伺服阀的位置补偿电压，根据位置补偿电压控制液压机械臂系统运动。4.根据权利要求3所述的多自由度液压机械臂实时控制系统，其特征在于，所述控制器包括高增益微分器、PID模块和RBF神经网络模块，所述高增益微分器用于根据编码器获取的每个关节的实时角度，得到每个关节的速度。5.根据权利要求3所述的多自由度液压机械臂实时控制系统，其特征在于，所述位置补偿电压为：u＝u
p
+y
j
+εsign(s)+ks，ε>0,k>0其中，y
j
是对于RBF神经网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋锐，郑玉坤，刘义祥，李贻斌，田新诚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：