一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法技术

本发明专利技术公开了一种五自由度混联机器人中并联机构控制器参数自适应调整实现方法，包括以下步骤：(1)构建节点坐标序列；(2)构建节点控制器参数序列；(3)控制器参数在线估计与调整；本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术方法采用离线整定获得节点控制器参数序列，在线估计参考点位于任意点时驱动关节电机控制器参数的策略。控制器参数估算算法简单，占用硬件资源少，且与伺服控制算法相互独立，可在保证伺服控制稳定的前提下，实现控制器参数的自适应调整。

An adaptive adjustment method for the controller parameters of a five degree of freedom hybrid robot

The invention discloses a five DOF hybrid robot parallel mechanism controller adaptive parameter adjustment method, which comprises the following steps: (1) build the node coordinate sequence; (2) to construct the node controller parameter sequence; (3) online parameter estimation and adjustment of the controller; the invention has the advantages that the method of the invention adopts off-line tuning of controller parameters obtained sequence, online estimation of driving joint motor controller parameter reference point located at any point of the strategy. The algorithm of controller parameter estimation is simple, with less hardware resources and independent of servo control algorithm. It can realize adaptive adjustment of controller parameters under the premise of ensuring the stability of servo control.

【技术实现步骤摘要】
一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法
本专利技术涉及一种五自由度混联机器人实现在其工作空间内的高速、高精度运动控制方法，尤其涉及五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法。
技术介绍
对于含有并联机构的混联机器人系统，折算到并联机构驱动关节的负载惯量和外界扰动相互耦合，且随位形变化。采用固定增益控制器难于满足这类机器人在工作空间中高速、高精度运动的要求，制约了其在运动精度要求较高(如机械加工)场合的应用。针对机器人系统强非线性和时变的特点，目前已提出诸如模糊逻辑、神经网络及遗传算法等智能控制算法，但对于含有并联机构的机器人系统，这些算法大多难以付诸实际应用。例如，模糊控制虽无需精确的数学模型，鲁棒性强，容错能力高，语言规则简单，但由于折算到并联机构驱动关节的负载惯量和外界扰动是相互耦合的，故难以制定可靠的模糊规则和隶属度函数。又如，神经网络与遗传算法计算量大，且缺乏硬件支持，故难于满足在线自适应控制的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种算法简单、占用硬件资源少、更新速度快、实时性好，具有良好的运动控制精度的一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法。本专利技术是通过以下技术方案实现：一种五自由度混联机器人中并联机构控制器参数自适应调整实现方法，包括以下步骤：(1)构建节点坐标序列，具体步骤为：根据含位置型三自由度并联机构的五自由度混联机器人的并联机构动平台参考点P的工作空间对称性，选取参考点的工作空间的中点P1及以参考点的工作空间的中平面为对称面，在所述的中平面的两侧的参考点的工作空间范围内对称选取2p个点共同作为节点，给全部节点设定编号并且记录每一个编号对应的节点在机器人坐标系下的坐标，构成节点坐标序列，所述的p为正整数；(2)构建节点控制器参数序列，具体步骤为：(a)令参考点P运动至参考点的工作空间的中点P1处，依次整定并联机构三个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的控制器参数按节点编号记录；(b)令参考点P依次运动至中平面一侧的各个节点处，依次整定并联机构各个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的参数按节点编号记录；(c)以驱动关节与静平台相连的铰链位于参考点工作空间中平面内的驱动关节的电机为1号电机，中平面左右两侧对称分布的电机分别为2、3号电机，依据参考点工作空间的面对称性以及所述并联机构在工作空间内的位形变化关于中平面对称的特点，2、3号电机的控制器参数也具有对称性，在得到中平面一侧各个节点处的整定结果后，动平台参考点位于另一侧任意节点处时2号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的3号驱动关节电机的控制器参数，3号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的2号驱动关节电机的控制器参数，1号驱动关节电机的控制器参数不变，得到参考点位于中平面另外一侧节点处时各个驱动关节电机的控制器参数；(d)由所述的步骤(a)、(b)和(c)中得到的各个节点处的驱动关节电机控制器的参数形成节点控制器参数序列；(e)将各个节点的坐标定义为全局变量并写入节点坐标序列寄存器，将与各个节点对应的并联机构的各个驱动关节的电机控制器参数定义为全局变量并写入节点控制器参数序列寄存器；(3)控制器参数在线估计与调整，具体步骤为：(a)将动平台参考点位于工作空间的中点时整定获得的控制器参数作为初始值，写入控制器参数寄存器中；(b)根据用户编写的NC数控加工程序，按给定的进给速率粗插补生成一系列机器人末端位姿指令，机器人从一个位姿运动至下一位姿所需的粗插补周期时间相等；(c)在每个粗插补周期中，机器人末端位姿经由位置逆解模块计算得到驱动关节的位置指令和动平台的参考点的坐标，然后将驱动关节的位置指令发送至控制算法模块，将动平台的参考点的当前坐标作为全局变量写入参考点坐标寄存器；(d)判断粗插补次数累加器计数，若达到n次，则清零累加器并执行独立于控制算法模块的控制器参数估算模块，调用参考点坐标寄存器中的数据、节点坐标序列寄存器中的数据和节点控制器参数序列寄存器中的数据，然后利用反距离权重法估算得到与动平台的参考点的当前坐标对应的驱动关节的电机控制器参数，并更新控制器参数寄存器中的当前变量数值；所述的反距离权重法为：动平台的参考点位于工作空间中任意点时的驱动关节的电机控制器参数是该电机在所有节点位置处控制器参数的加权估计，权重与动平台当前的参考点位置与各节点间距离d的k次幂成反比，据此，在机器人坐标系下，第i个节点坐标为Pi(xi,yi,zi)，参考点所处位置的坐标为P(x,y,z)，第j个驱动关节电机的控制器参数利用下式求得：式中，Ki,j表示在第i个节点处，第j个驱动关节的控制参数子序列,2p+1表示选取节点的数目，所述的i＝1,2,...,2p+1；所述的j＝1,2,3；k＝2；di表示参考点P与第i个节点间的距离，由下式确定：(e)控制算法模块读取控制器参数寄存器中更新后的各电机的控制器参数的当前数值，计算生成各驱动关节电机的控制信号，发送至伺服系统，进而控制电机运动；(f)控制算法模块运算完成一次后，粗插补次数累加器计数增加，进入下一粗插补周期，执行前述(c)、(d)、(e)三个步骤的运算。本专利技术的有益效果是：本专利技术方法采用离线整定获得节点控制器参数序列，在线估计参考点位于任意点时驱动关节电机控制器参数的策略。控制器参数估算算法简单，占用硬件资源少，且与伺服控制算法相互独立，可在保证伺服控制稳定的前提下，实现控制器参数的自适应调整。附图说明图1混联机器人中并联机构工作空间节点选取与控制器参数调整示意图；图2控制器参数自适应调整策略框图；图3控制器参数自适应调整计算流程图。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案更加清晰，以下结合附图对本专利技术做进一步详细说明，本专利技术适用于任何具有驱动关节电机的负载惯量随位形变化特点的并联、混联机器人的控制。具体可以参见专利CN104985596A所公开的“一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人”，应当理解，此处所述的具体实例仅用以解释本专利技术，并不限定于本例。本专利技术的一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法，包括以下步骤：(1)构建节点坐标序列，具体步骤为：根据含位置型三自由度并联机构的五自由度混联机器人的并联机构动平台参考点P(以专利CN104985596A所公开的五自由度混联机器人的并联机构动平台参考点P为例，该参考点的设定可以根据不同的混联机器人结构自定义，通常在与动平台相连的串联转头的轴线上选取)的工作空间对称性，选取参考点的工作空间的中点P1及以参考点的工作空间的中平面为对称面，在所述的中平面的两侧的参考点的工作空间范围内对称选取2p(p为正整数)个点共同作为节点，给全部节点设定编号并且记录每一个编号对应的节点在机器人坐标系(机器人坐标系通常建立在静平台上，如图1所示，以机器人并联机构转动支架与从动支链相连的虎克铰的中心点为坐标原点B，建立与静平台固连的笛卡尔坐标系B-x0y0z0)下的坐标，构成节点坐标序列{Pi(xi,yi,zi)}(i＝1,2,...,2p+1)，表示如下：{Pi(xi,yi,zi)}＝{P1(x1,y1,z1)P2m(x2m,y2m,z2m)P2m(x2m+1,y2m+1,z2m+1)}本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法，其特征在于包括以下步骤：(1)构建节点坐标序列，具体步骤为：根据含位置型三自由度并联机构的五自由度混联机器人的并联机构动平台参考点P的工作空间对称性，选取参考点的工作空间的中点P1及以参考点的工作空间的中平面为对称面，在所述的中平面的两侧的参考点的工作空间范围内对称选取2p个点共同作为节点，给全部节点设定编号并且记录每一个编号对应的节点在机器人坐标系下的坐标，构成节点坐标序列，所述的p为正整数；(2)构建节点控制器参数序列，具体步骤为：(a)令参考点P运动至参考点的工作空间的中点P1处，依次整定并联机构三个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的控制器参数按节点编号记录；(b)令参考点P依次运动至中平面一侧的各个节点处，依次整定并联机构各个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的参数按节点编号记录；(c)以驱动关节与静平台相连的铰链位于参考点工作空间中平面内的驱动关节的电机为1号电机，中平面左右两侧对称分布的电机分别为2、3号电机，依据参考点工作空间的面对称性以及所述并联机构在工作空间内的位形变化关于中平面对称的特点，2、3号电机的控制器参数也具有对称性，在得到中平面一侧各个节点处的整定结果后，动平台参考点位于另一侧任意节点处时2号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的3号驱动关节电机的控制器参数，3号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的2号驱动关节电机的控制器参数，1号驱动关节电机的控制器参数不变，得到参考点位于中平面另外一侧节点处时各个驱动关节电机的控制器参数；(d)由所述的步骤(a)、(b)和(c)中得到的各个节点处的驱动关节电机控制器的参数形成节点控制器参数序列；(e)将各个节点的坐标定义为全局变量并写入节点坐标序列寄存器，将与各个节点对应的并联机构的各个驱动关节的电机控制器参数定义为全局变量并写入节点控制器参数序列寄存器；(3)控制器参数在线估计与调整，具体步骤为：(a)将动平台参考点位于工作空间的中点时整定获得的控制器参数作为初始值，写入控制器参数寄存器中；(b)根据用户编写的NC数控加工程序，按给定的进给速率粗插补生成一系列机器人末端位姿指令，机器人从一个位姿运动至下一位姿所需的粗插补周期时间相等；(c)在每个粗插补周期中，机器人末端位姿经由位置逆解模块计算得到驱动关节的位置指令和动平台的参考点的坐标，然后将驱动关节的位置指令发送至控制算法模块，将动平台的参考点的当前坐标作为全局变量写入参考点坐标寄存器；(d)判断粗插补次数累加器计数，若达到n次，则清零累加器并执行独立于控制算法模块的控制器参数估算模块，调用参考点坐标寄存器中的数据、节点坐标序列寄存器中的数据和节点控制器参数序列寄存器中的数据，然后利用反距离权重法估算得到与动平台的参考点的当前坐标对应的驱动关节的电机控制器参数，并更新控制器参数寄存器中的当前变量数值；所述的反距离权重法为：动平台的参考点位于工作空间中任意点时的驱动关节的电机控制器参数是该电机在所有节点位置处控制器参数的加权估计，权重与动平台的参考点的当前位置与各节点间距离d的k次幂成反比，据此，在机器人坐标系下，第i个节点坐标为Pi(xi,yi,zi)，参考点所处位置的坐标为P(x,y,z)，第j个驱动关节电机的控制器参数利用下式求得：...

【技术特征摘要】
1.一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法，其特征在于包括以下步骤：(1)构建节点坐标序列，具体步骤为：根据含位置型三自由度并联机构的五自由度混联机器人的并联机构动平台参考点P的工作空间对称性，选取参考点的工作空间的中点P1及以参考点的工作空间的中平面为对称面，在所述的中平面的两侧的参考点的工作空间范围内对称选取2p个点共同作为节点，给全部节点设定编号并且记录每一个编号对应的节点在机器人坐标系下的坐标，构成节点坐标序列，所述的p为正整数；(2)构建节点控制器参数序列，具体步骤为：(a)令参考点P运动至参考点的工作空间的中点P1处，依次整定并联机构三个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的控制器参数按节点编号记录；(b)令参考点P依次运动至中平面一侧的各个节点处，依次整定并联机构各个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的参数按节点编号记录；(c)以驱动关节与静平台相连的铰链位于参考点工作空间中平面内的驱动关节的电机为1号电机，中平面左右两侧对称分布的电机分别为2、3号电机，依据参考点工作空间的面对称性以及所述并联机构在工作空间内的位形变化关于中平面对称的特点，2、3号电机的控制器参数也具有对称性，在得到中平面一侧各个节点处的整定结果后，动平台参考点位于另一侧任意节点处时2号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的3号驱动关节电机的控制器参数，3号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的2号驱动关节电机的控制器参数，1号驱动关节电机的控制器参数不变，得到参考点位于中平面另外一侧节点处时各个驱动关节电机的控制器参数；(d)由所述的步骤(a)、(b)和(c)中得到的各个节点处的驱动关节电机控制器的参数形成节点控制器参数序列；(e)将各个节点的坐标定义为全局变量并写入节点坐标序列寄存器，将与各个节点对应的并联机构的各个驱动关节的电机控制器参数定义为全局变量并写入节点控制器参数序列寄存器；(3)控制器参数在线估计与调整，具体步骤为：(a)将动平台参考点位于工作空间的中点时整定获得的控制器参数作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄田，郭浩，刘祺，杨旭，肖聚亮，刘海涛，田文杰，梅江平，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12