一种高频非线性扰动的机械臂多尺度空间滑模控制方法技术

本发明专利技术提供一种高频非线性扰动的机械臂多尺度空间滑模控制方法，包括构建基于双目视觉及关节光栅尺的耦合反馈移动机械臂系统硬件组态；在工业机器人六个关节处设置关节光栅尺，以反馈测量移动机械臂系统加工过程中产生的高频非线性振动；构建移动机械臂系统在作业过程中的视觉伺服测量系统；构建包含AGV平台的移动机械臂系统动力学模型；构建面向慢变子系统轨迹跟踪的非线性控制器滑模面；构建高频非线性扰动下的移动机械臂系统快变子系统稳态参考模型，设计基于参考模型的自适应控制器控制律，获取自适应控制器全局渐近稳定条件。本发明专利技术能够抑制加工过程中柔性机器人的高频振动，实现末端执行器高进度轨迹跟踪，抑制多源耦合非线性扰动。源耦合非线性扰动。源耦合非线性扰动。

【技术实现步骤摘要】
一种高频非线性扰动的机械臂多尺度空间滑模控制方法


[0001]本专利技术属于工业机械臂高精度控制
，尤其涉及一种高频非线性扰动的机械臂多尺度空间滑模控制方法。

技术介绍

[0002]随着可移动机械臂系统原位作业模式的兴起，凭借其高柔性、智能化的突出优势，在大型结构件的制孔、磨抛、喷涂、装配等作业中得到了广泛的应用。相比于固定工位机械臂制造系统及尺寸庞大、成本高昂的传统数控加工装备，移动机械臂系统在建造成本及时间空间分布上更具优势。
[0003]工业机械臂定位及轨迹精度是执行高精度装配加工的关键性能保障。一方面，工业机械臂由于机械公差、非线性环节及关节柔性等因素导致其笛卡尔空间绝对精度低，面向加工的中大型工业机械臂绝对定位精度仅为1
‑
2mm。另一方面，装配环境中的外部扰动以及大型工业机械臂关节柔性引起的振荡都将降低机器人协同运动精度，导致加工精度无法满足设计需求。因此，亟需提出一种高频非线性扰动的机械臂多尺度空间滑模控制方法。
[0004]公开号CN201310341384.9的专利公开了一种基于双参数奇异摄动的液压刚柔机械臂控制方法，该方法面向固定位液压机械臂系统，通过奇异摄动理论将机械臂系统表征为快
‑
慢两个子系统，实现对固定位液压机械臂的控制。
[0005]公开号CN201811581068.8的专利公开了一种基于奇异摄动的柔性机械臂时标分离鲁棒控制方法，该方法将柔性关节系统机械臂分解为快
‑
慢多时空标准，并设计了相应的鲁棒控制方法将两种控制器所求的控制量耦合输入至机械臂系统，实现控制目标。
[0006]然而，上述专利存在以下不足：
[0007](1)均针对固定位机械臂系统，并未针对小型移动作业单元进行针对性的模型建立方法修正，无法满足制孔、铆接及铣削等精度要求较高的作业领域的作业要求；
[0008](2)针对多时标下的控制器设计，均未考虑加工不确定性与柔性系统振动产生的耦合作用，缺乏进一步提升加工状态下提升机械臂系统振动抑制的能力；
[0009](3)均仅从控制器设计角度做出了论述，并未涉及生产线构成及闭环反馈系统硬件系统搭建，无法兼容小型移动机械臂系统在高精度加工场景下的应用。
[0010]文献“Full
‑
state tracking control for flexible joint robots with singular perturbation techniques,2019,27(1):63
‑
73.”利用柔性关节空间机器人的奇异摄动模型，提出由慢变子系统的位置/力控制律和快变子系统的关节弹性力矩反馈控制律所组成的复合控制方法，实验结果表明该方法可以有效改进重载工业机器人动态精度。但是在实际应用中，该方法存在以下不足：
[0011](1)对于加工过程中机械臂的跟踪性能未进行讨论，且仅对固定位机械臂做了了案例研究，对于AGV平台引入的微小加速度并未考虑；
[0012](2)方法仅限于提升机器人本体的振动性能做出了讨论，快变子系统并未提出模型不确定性的解决方案，实际加工场景下无法达到预期。

技术实现思路

[0013]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种高频非线性扰动的机械臂多尺度空间滑模控制方法。
[0014]本专利技术提供一种高频非线性扰动的机械臂多尺度空间滑模控制方法，包括：
[0015]构建基于双目视觉及关节光栅尺的耦合反馈移动机械臂系统硬件组态；
[0016]在工业机器人六个关节处设置关节光栅尺，以反馈测量移动机械臂系统加工过程中产生的高频非线性振动；
[0017]构建移动机械臂系统在作业过程中的视觉伺服测量系统，利用双目笛卡尔空间六维视觉测量信号获得末端执行器的实时位姿误差；
[0018]构建包含AGV平台的移动机械臂系统动力学模型，将柔性的移动机械臂系统分解为多时空尺度快
‑
慢子系统；
[0019]构建面向慢变子系统轨迹跟踪的非线性控制器滑模面，获取移动机械臂系统全局渐近稳定条件，将双目视觉测量信号作为反馈，对移动机械臂系统进行轨迹跟踪闭环控制；
[0020]构建高频非线性扰动下的移动机械臂系统快变子系统稳态参考模型，设计基于参考模型的自适应控制器控制律，获取自适应控制器全局渐近稳定条件。
[0021]进一步地，所述构建基于双目视觉及关节光栅尺的耦合反馈移动机械臂系统硬件组态，包括：
[0022]搭建包括双目视觉测量系统、移动机械臂系统、光栅尺关节转角反馈系统和协同控制器的移动机械臂加工系统；
[0023]双目视觉测量系统及光栅尺关节转角反馈系统闭环反馈获得的移动机械臂系统的轨迹跟踪误差及加工振动，通过基于奇异摄动分解的多时空尺度控制器计算，得出下一时刻的期望位姿并发送给移动机械臂系统逆解成所需关节角度；
[0024]根据计算得出的实时关节角度控制量驱动电机；外部控制系统通过RSI交互接口与移动机械臂系统连接，对移动机械臂系统进行控制。
[0025]进一步地，在工业机器人六个关节处设置关节光栅尺，以反馈测量移动机械臂系统加工过程中产生的高频非线性振动，包括：
[0026]在搭建的光栅尺关节转角反馈系统硬件组态中，移动机械臂系统与控制器之间共需采取三种通讯协议，建立两条通讯路径；其中，Ethernet通讯线路为实现工控机与移动机械臂系统控制柜之间高速通讯所建立的以太网通讯服务；EtherCAT通讯是为实现工控机实时读写移动机械臂系统外部自动信号所需的通讯通路；
[0027]采用工业PLC实现复杂控制任务的控制功能，其中工业PLC包括与工控机相连的主站模块及与移动机械臂系统控制柜相连的从站模块，主站模块与从站模块之间通过EtherCAT通讯协议相连；实时采集关节转角变化的光栅尺读数头输出信号通常为全双工同步串行总线通信的BiSS格式，通过格式转换模块转换格式后，经由USB集线器接口将六轴信号一起发送至工控机；通过实时测量并发送加工过程中产生的扰动信号，实现快变子系统的闭环振动控制。
[0028]进一步地，所述构建移动机械臂系统在作业过程中的视觉伺服测量系统，利用双目笛卡尔空间六维视觉测量信号获得末端执行器的实时位姿误差，包括：
[0029]通过双目视觉测量系统构建加工场景下所需的坐标系，包括末端执行器坐标系、
机械臂基坐标系、工件坐标系以及描述旋转变换所需的与末端执行器坐标系方向相同的附属坐标系；
[0030]计算附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵；
[0031]获取工件坐标系下末端执行器坐标系平移至其附属坐标系的平移变换矩阵；
[0032]计算工件坐标系下的一阶位姿误差。
[0033]进一步地，所述计算附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵，包括：
[0034]根据以下公式计算附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵：
[0035][0036][0037]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高频非线性扰动的机械臂多尺度空间滑模控制方法，其特征在于，包括：构建基于双目视觉及关节光栅尺的耦合反馈移动机械臂系统硬件组态；在工业机器人六个关节处设置关节光栅尺，以反馈测量移动机械臂系统加工过程中产生的高频非线性振动；构建移动机械臂系统在作业过程中的视觉伺服测量系统，利用双目笛卡尔空间六维视觉测量信号获得末端执行器的实时位姿误差；构建包含AGV平台的移动机械臂系统动力学模型，将柔性的移动机械臂系统分解为多时空尺度快
‑
慢子系统；构建面向慢变子系统轨迹跟踪的非线性控制器滑模面，获取移动机械臂系统全局渐近稳定条件，将双目视觉测量信号作为反馈，对移动机械臂系统进行轨迹跟踪闭环控制；构建高频非线性扰动下的移动机械臂系统快变子系统稳态参考模型，设计基于参考模型的自适应控制器控制律，获取自适应控制器全局渐近稳定条件。2.根据权利要求1所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法，其特征在于，所述构建基于双目视觉及关节光栅尺的耦合反馈移动机械臂系统硬件组态，包括：搭建包括双目视觉测量系统、移动机械臂系统、光栅尺关节转角反馈系统和协同控制器的移动机械臂加工系统；双目视觉测量系统及光栅尺关节转角反馈系统闭环反馈获得的移动机械臂系统的轨迹跟踪误差及加工振动，通过基于奇异摄动分解的多时空尺度控制器计算，得出下一时刻的期望位姿并发送给移动机械臂系统逆解成所需关节角度；根据计算得出的实时关节角度控制量驱动电机；外部控制系统通过RSI交互接口与移动机械臂系统连接，对移动机械臂系统进行控制。3.根据权利要求2所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法，其特征在于，在工业机器人六个关节处设置关节光栅尺，以反馈测量移动机械臂系统加工过程中产生的高频非线性振动，包括：在搭建的光栅尺关节转角反馈系统硬件组态中，移动机械臂系统与控制器之间共需采取三种通讯协议，建立两条通讯路径；其中，Ethernet通讯线路为实现工控机与移动机械臂系统控制柜之间高速通讯所建立的以太网通讯服务；EtherCAT通讯是为实现工控机实时读写移动机械臂系统外部自动信号所需的通讯通路；采用工业PLC实现复杂控制任务的控制功能，其中工业PLC包括与工控机相连的主站模块及与移动机械臂系统控制柜相连的从站模块，主站模块与从站模块之间通过EtherCAT通讯协议相连；实时采集关节转角变化的光栅尺读数头输出信号通常为全双工同步串行总线通信的BiSS格式，通过格式转换模块转换格式后，经由USB集线器接口将六轴信号一起发送至工控机；通过实时测量并发送加工过程中产生的扰动信号，实现快变子系统的闭环振动控制。4.根据权利要求2所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法，其特征在于，所述构建移动机械臂系统在作业过程中的视觉伺服测量系统，利用双目笛卡尔空间六维视觉测量信号获得末端执行器的实时位姿误差，包括：通过双目视觉测量系统构建加工场景下所需的坐标系，包括末端执行器坐标系、机械臂基坐标系、工件坐标系以及描述旋转变换所需的与末端执行器坐标系方向相同的附属坐
标系；计算附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵；获取工件坐标系下末端执行器坐标系平移至其附属坐标系的平移变换矩阵；计算工件坐标系下的一阶位姿误差。5.根据权利要求4所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法，其特征在于，所述计算附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵，包括：根据以下公式计算附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵：根据以下公式计算附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵：其中，R
rot
为附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵；为末端执行器坐标系方向相同的附属坐标系旋转至工件坐标系的酉矩阵；Δθ为单位角度；Π
α
、Π
β
和Π
γ
分别为各个旋转方向上的分量；α、β和γ分别为绕工件坐标系各坐标轴的角度。6.根据权利要求2所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法，其特征在于，所述构建包含AGV平台的移动机械臂系统动力学模型，将柔性的移动机械臂系统分解为多时空尺度快
‑
慢子系统，包括：利用传统拉格朗日法建立包含AGV移动平台的移动机械臂系统动力学模型为：利用传统拉格朗日法建立包含AGV移动平台的移动机械臂系统动力学模型为：其中，R3×3为维度为3
×
3的矩阵；D∈R3×3，为移动机械臂的正定广义的对称、正定惯性矩阵；C∈R3×3，为包含哥氏力和离心力的列向量；q
b
为机械臂基坐标处的转角位置；为q
b
的一阶导数；q
c
＝[q1,q2,q3,q4,q5,q6]
T
为机械臂各个关节处的转角位置；为q
c
的一阶导数；θ＝[θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6]
T
为机械臂关节处驱动电机转子的旋转角度；K为柔性关节的等效刚度系数矩阵；J为关节处驱动电机的对角正定矩阵，τ
c
为关节处驱动电机的输出力矩；为θ的二阶导数；令各个驱动电机开始上电产生的转角与关节臂连杆转角之间的差值为σ，得到该关节的快变空间振动为：σ＝θ
‑
q
c
；且可得由于惯性矩阵D为对称、正定的，因此可得惯性矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏程，田威，白权，廖文和，徐翔，李波，韦学文，魏德岚，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：