一种网络化柔性机械臂控制仿真平台及其工作方法技术

本发明专利技术涉及一种网络化柔性机械臂控制仿真平台及其工作方法，包括柔性机械臂数学模型、控制器及参数设置模块和远程监测系统；所述柔性机械臂数学模型通过内存读写与控制器及参数设置模块实现数据的传输，控制器及参数设置模块与远程监测系统之间通过以太网连接，基于TCP/IP通信协议进行数据的发送与接收工作。使用者在远程监测系统的人机交互界面上输入控制器及参数设置系统的各个控制参数及模型参数，通过点击各功能按钮，进行网络通信，远程设置柔性机械臂数学模型的参数、运行仿真系统并通过远程监测系统实时监测各项参数的状态；使用者也可以直接本地操作控制器及参数设置系统进行仿真工作。

【技术实现步骤摘要】
一种网络化柔性机械臂控制仿真平台及其工作方法
本专利技术涉及一种机械臂的仿真技术，尤其是一种用于柔性机械臂的基于TCP/IP的网络化控制仿真平台及其工作方法，属于移动通信

技术介绍
柔性机械臂作为柔性多体系统动力学分析与控制理论研究最直接的应用对象，其具有简明的物理模型以及易于计算机和实物模型试验实现的特点。自20世纪90年代起，柔性机械臂的建模与仿真研究引起了国内外专家学者的广泛关注。迄今为止针对刚性机械臂控制的研究已经形成了诸多成熟的控制理论。控制论的全面发展为柔性机械臂控制算法设计提供了诸多选择，特别是神经网络控制、模糊控制、混合智能控制等非线性控制等理论都被不同程度地引入柔性机械臂控制器的设计领域。传统的柔性机械臂前期研制到投入工程实践的过程中需要多次进行控制效果测试，测试周期长，且在产品不能保证控制方法满足安全性和高效性要求时无法更新算法，需要重新设计柔性机械臂从而产生资源浪费。近几十年来，计算机技术己经成为诸多科学研究领域必要的工具，而以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为辅助设备，建立模拟仿真模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的方法也逐渐成为了各个学术领域研究过程中最常用的方法。利用计算机仿真技术，在前期设计过程中控制系统的参数可随时进行重设，通过仿真结果可预先确定机械臂设计的合理性，这一方法在柔性机械臂的理论研究方面具有长远的帮助。国内现阶段实现柔性机械臂仿真的方法大多为软件直接建模。例如，在ADAMS软件中建立柔性机械臂的物理模型，并在MATLAB/Simulink环境中设计控制器实现了联合仿真；或在DADS软件环境下采用有限段法对多柔体系统进行建模并实现了双连杆柔性机械臂的动力学仿真；或在柔性机械臂的建模上采用了MapleSim多领域仿真建模平台，借助Maple环境功能块化的编程方式实现了柔性机械臂的分部设计。但上述柔性机械臂仿真系统的结构很复杂，参数重设难度大，还有交互性差，仿真数据不易观察与处理的问题。综上所述，现阶段的柔性机械臂控制仿真平台主要存在以下问题：1、仿真平台人机交互性差，操作逻辑复杂。2、仿真数据量大，纯数据的记录不易于分析工作。3、参数修改难度大，需对仿真系统进行重新设计。4、使用地点局限，只能够进行本地化操作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种网络化柔性机械臂控制仿真平台及其工作方法，以图形化人机交互界面为主要形式，以柔性机械臂控制算法选择、数学模型远程参数设置、参数状态及仿真曲线远程实时监测为主要功能，实现柔性机械臂控制算法快速测试的仿真平台。为了达到以上目的，本专利技术提供了一种网络化柔性机械臂控制仿真平台，包括柔性机械臂数学模型(1)、控制器及参数设置模块(2)和远程监测系统(3)；所述柔性机械臂数学模型(1)通过内存读写(4)与控制器及参数设置模块(2)实现数据的传输，控制器及参数设置模块(2)与远程监测系统(3)之间通过以太网连接，基于TCP/IP通信协议(5)进行数据的发送与接收工作；所述柔性机械臂数学模型是基于Simulink搭建的被控对象的数学模型，包括柔性机械臂的数学表达式及数据发送与接收模块；所述控制器及参数设置模块包括参数设置模块、控制方案选择及实现模块，使用者根据实际需要设置控制参数及模型参数，并选择相应的控制方法，所述控制方法包括但不限于PID控制、神经网络控制、滑模控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制及预测控制等；所述远程监控系统通过远程通信给定控制器及参数设置模块的各项参数，并对柔性机械臂数学模型的参数状态及仿真情况进行实时监测。本专利技术的进一步限定技术方案为：所述柔性机械臂数学模型为被控柔性机械臂的数学模型表达式，利用力学关系建立两自由度的柔性机械臂数学模型，所述表达式如下：其中，q和qm分别表示连杆和转子的角位置；I和J分别表示连杆和转子的转动惯量；K代表关节刚度系数；M,g,l分别表示连杆质量、重力加速度和连杆中心至关节长度；u表示电机转矩输入。所述柔性机械数学模型包括柔性机械臂的模型数学表达式及数据发送与接收模块，所述数学表达式以S函数方式存储为单文件负责仿真任务，所述数据发送与接收模块负责与仿真平台主界面链接实现仿真结果数据的发送任务。进一步的，所述控制器及参数设置系统包括控制方案选择及实现模块、期望轨迹设置模块及参数设置模块；所述控制方案选择及实现模块负责确定使用的控制算法，期望轨迹设置模块负责给定被控对象的仿真运动轨迹，参数设置模块负责给定仿真系统的各项控制参数及模型参数。所述控制器及参数设置系统基于GUI编写的程序，包含控制方案选择及实现模块，及参数设置模块；所述控制方案选择及实现模块设置需要使用的控制算法，所述控制算法包括但不限于PID控制、神经网络控制、滑模控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制及预测控制；所述参数设置模块提供各项控制参数及模型参数的设置界面。进一步的，所述远程监测系统包括远程参数给定模块及参数状态显示模块，所述参数远程给定模块负责建立与控制器及参数设置模块的通信，实现控制参数及模型参数的远程给定与仿真数据的实时接收；参数状态显示模块负责实现仿真系统各项参数及仿真曲线实时状态的实时显示。所述远程监测系统基于以太网远程给定控制器及参数设置系统的各项参数，通过数值方式以显示各输入参数的值，并通过动态绘图的方式显示各被观测状态量，包括控制律、仿真控制系统输出状态值及观测器输出值的曲线，实现对仿真系统各参数及仿真结果的实时监测。一种网络化柔性机械臂控制仿真平台的工作方法，包括如下步骤，步骤1，启动远程监测系统，运行主界面；点击控制器及参数设置系统的远程控制按钮及远程监测系统的链接按钮启动远程工作模式，或直接使用控制器及参数设置系统启动本地工作模式；其中步骤2至步骤6为远程工作模式；步骤2，选择需要使用的控制算法，点击远程监测系统上对应的GUI调用按钮，调用相对应的子界面，并关闭当前界面；步骤3，在远程监测系统的子系统界面中，通过远程参数设置模块输入仿真系统的各项模型参数及控制参数；步骤4，启动仿真，远程监测系统的参数状态显示模块负责调用远程通信接收到的仿真数据实现各状态量及仿真曲线的绘制；步骤5，用户根据反馈信息进行回应，实现所需的后续操作，回到上一级主界面；步骤6，重复以上流程直至结束。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术以图形化人机交互界面为主要形式，以柔性机械臂控制算法选择、数学模型参数设置、参数状态及仿真曲线实时显示为主要功能，实现柔性机械臂控制算法快速测试的仿真平台。本专利技术可以让使用者根据设计需要任意给定柔性机械臂的运动期望轨迹、设置仿真平台的各个控制参数及模型参数；仿真平台的使用不受时间、地点限制，使用者可以根据需要随时进行仿真工作；使用者可以选择多种控制算法进行仿真实验，缩短了控制算法的测试时间；使用者可以验证控制系统设计的可靠性，避免因为柔性机械臂参数设计失误而产生的资源浪费与设计人员的安全问题。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。图1是本专利技术的结构示意图。具体实施方式本实施例提供了一种网络化柔性机械臂控制仿真平台，该仿真平台基于TCP/IP通信协议，包括柔性机械臂数学模型1、控制器及参数设置模块2和远程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种网络化柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：包括柔性机械臂数学模型(1)、控制器及参数设置模块(2)和远程监测系统(3)；所述柔性机械臂数学模型(1)通过内存读写(4)与控制器及参数设置模块(2)实现数据的传输，控制器及参数设置模块(2)与远程监测系统(3)之间通过以太网连接，基于TCP/IP通信协议(5)进行数据的发送与接收工作。所述柔性机械臂数学模型是基于Simulink搭建的被控对象的数学模型，包括柔性机械臂的数学表达式及数据发送与接收模块；所述控制器及参数设置模块包括参数设置模块、控制方案选择及实现模块，使用者根据实际需要设置控制参数及模型参数，并选择相应的控制方法，所述控制方法包括但不限于PID控制、神经网络控制、滑模控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制及预测控制等；所述远程监控系统通过远程通信给定控制器及参数设置模块的各项参数，并对柔性机械臂数学模型的参数状态及仿真情况进行实时监测。

【技术特征摘要】
1.一种网络化柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：包括柔性机械臂数学模型(1)、控制器及参数设置模块(2)和远程监测系统(3)；所述柔性机械臂数学模型(1)通过内存读写(4)与控制器及参数设置模块(2)实现数据的传输，控制器及参数设置模块(2)与远程监测系统(3)之间通过以太网连接，基于TCP/IP通信协议(5)进行数据的发送与接收工作。所述柔性机械臂数学模型是基于Simulink搭建的被控对象的数学模型，包括柔性机械臂的数学表达式及数据发送与接收模块；所述控制器及参数设置模块包括参数设置模块、控制方案选择及实现模块，使用者根据实际需要设置控制参数及模型参数，并选择相应的控制方法，所述控制方法包括但不限于PID控制、神经网络控制、滑模控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制及预测控制等；所述远程监控系统通过远程通信给定控制器及参数设置模块的各项参数，并对柔性机械臂数学模型的参数状态及仿真情况进行实时监测。2.根据权利要求1所述的网络化柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述柔性机械臂数学模型为被控柔性机械臂的数学模型表达式，利用力学关系建立两自由度的柔性机械臂数学模型，所述表达式如下：其中，q和qm分别表示连杆和转子的角位置；I和J分别表示连杆和转子的转动惯量；K代表关节刚度系数；M,g,l分别表示连杆质量、重力加速度和连杆中心至关节长度；u表示电机转矩输入。3.根据权利要求2所述的网络化柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述柔性机械数学模型包括柔性机械臂的模型数学表达式及数据发送与接收模块，所述数学表达式以S函数方式存储为单文件负责仿真任务，所述数据发送与接收模块负责与仿真平台主界面链接实现仿真结果数据的发送任务。4.根据权利要求1所述的网络化柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述控制器及参数设置系统包括控制方案选择及实现模块、期望轨迹设置模块及参数设置模块；所述控制方案选择及实现模块负责确定使用的控制算法，期望轨迹设置模块负责给定被控对象的仿真运动轨迹，参数设置模块负...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杨，竹晨曦，姜冠同，岳东，魏祥森，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32