一种三自由度气动机械手关节控制系统技术方案

一种三自由度气动机械手关节控制系统，通过路径规划、运动学反解及关节控制器，完成了3个运动关节的实时控制。通过上、下位机的方式实现了实时控制，并具有灵活的扩展性。该控制系统具有良好的抗参数扰动的鲁棒性，在轨迹跟踪方面的实验取得了满意的效果，为进一步的工业化应用奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度气动机械手关节控制系统
本专利技术涉及一种三自由度气动机械手关节控制系统，适用于机械领域。
技术介绍
近年来，国内外学者应用控制理论的研究成果，如自适应控制、模糊与神经网络控制、变结构控制、鲁棒控制等，对气动位置伺服系统进行了大量研究并取得了一定进展。但由于气体的压缩性较大以及气缸摩擦力等不确定因素的影响，对气动位置系统进行高精度控制一直是个难题。Bobrow等建立了气动系统模型，使用扩展的自适应控制方法对三自由度气动关节机械手进行了力/位置混合控制。杨庆俊等提出了气动系统反馈线性化并实现了较高精度的位置控制。
技术实现思路
本专利技术提出了一种三自由度气动机械手关节控制系统，通过路径规划、运动学反解及关节控制器，完成了3个运动关节的实时控制。通过上、下位机的方式实现了实时控制，并具有灵活的扩展性。本专利技术所采用的技术方案是：所述机械手控制算法由轨迹插补模块对途径点分段，采用过四点的3次多项式插值运算，将计算结果输入运动学反解模块，计算出关节坐标下各关节的对应的角度，将各运动关节轨迹送入到关节控制器模块中进行关节运动控制，由编码器的测量值实时计算机械手末端的位置。所述控制系统的控制程序是通过上位机的LabVIEWRT开发系统完成的，包括上位机的人机界面和下位机的实时控制程序。所述上、下位机工作方式，通过TCP/IP网络实现通讯，上位机将实时控制程序下载到下位机RT引擎中进行运行和调试。在控制软件的开发中，上位机主要运行的是人机交互界面，接受操作人员的命令输入及显示数据等；下位机主要运行实时控制程序，接受上位机的命令信号，进行相应的数据采集及实时控制。它们之间的通信是靠网络共享变量机制来实现的。所述气动机械手各关节采用流量比例控制，使用PCI-6229卡(多功能数据采集卡)输出控制信号；同时使用PCI-6602(8通道正交编码器计数器卡)检测编码器的角度信号和零位信号。本专利技术的有益效果是：该控制系统具有良好的抗参数扰动的鲁棒性，在轨迹跟踪方面的实验取得了满意的效果，为进一步的工业化应用奠定了基础。附图说明图1是本专利技术的气动机械手结构原理图。图2是本专利技术的机械手控制算法流程图。图3是本专利技术的极点配置自校正控制器结构图。图4是本专利技术的机械手控制系统硬件流程图。图中：1.小臂关节；2.大臂关节；3.腰部关节。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1，三自由度气动机械手属于关节串联式机器人，它的运动类似人的肢体，由腰、大臂、小臂3个关节组成。它的3个自由度分别为：腰部有1个自由度，作回转运动；大臂和小臂各有1个自由度，作俯仰运动。它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物体，并能绕过障碍物去抓取物体。三自由度气动机械手的腰部转动由流量比例阀(MPYE-5)驱动摆缸(CRA1BW80-180)来实现，旋转编码器通过1:4的同步带轮与腰部转动轴相连，以检测角度信号。大臂俯仰运动由流量比例阀(MPYE-5)驱动气缸(CG1BN63-175)来实现，旋转编码器通过1:4的同步带轮与大臂俯仰运动轴相连，以检测角度信号。小臂俯仰运动由流量比例阀(MPYE-5)驱动气缸(CG1BN40-175)来实现，旋转编码器通过1:4的同步带轮与小臂俯仰运动轴相连，以检测角度信号。如图2，机械手控制算法由轨迹插补模块对途径点分段，采用过四点的3次多项式插值运算，将计算结果输入运动学反解模块，计算出关节坐标下各关节的对应的角度，将各运动关节轨迹送入到关节控制器模块中进行关节运动控制，由编码器的测量值实时计算机械手末端的位置。如图3，极点配置的主要思想是寻找一个控制律，使得被控系统闭环传递函数的极点位于希望的位置。在气动位置伺服系统中，二阶和三阶电一气流量比例阀控摆缸气动旋转位置系统的幅频特性在低频段是相近的，且系统模型阶数越低，控制器的设计实现就越容易，所以假设被控系统数学模型为2阶。在对系统模型进行在线辨识时，辨识算法的优劣直接影响离散数学模型反映辨识过程的准确程度，从而影响控制精度。最小二乘法是常用参数辨识方法之一。普通的最小二乘法随着数据的增长，会出现数据饱和现象，因此导致系统的控制能力下降。为了克服这种现象，带遗忘因子的最小二乘法，充分利用新数据所含的信息，尽可能降低老数据的影响，获得跟踪参数的实时估计。对于本系统控制器参数的辨识采用带固定遗忘因子的递推最小二乘法。随着测控系统的不断发展，用户对于系统的可靠性、时间确定性等要求越来越高，由此出现了很多实时测控模式及软件，例如美国Mathworks公司的RTW；德国dSPACE公司的ControlDesk;加拿大OPAL-RT公司RT-LAB；Boeing公司的Easy-5等。其中美国NI公司研制开发的LabVIEWRT系统由于其简洁的图形化开发环境以及高可靠性和时间确定性等优点得到了广泛的应用。LabVIEWRealTime模块的开发、运行需要特定的硬件目标支持，以往的RT模块主要支持3类硬件方式：RT系列插人式板卡、RT系列PXI、RT系列的FieldPoint模块。插入式板卡基于PCI总线方式，将嵌入式的处理器板卡和多功能数据采集卡合并，能提供的I/O通道较少，单通道PID循环速率在1kHz左右，性能一般；FieldPoint方式能提供很多的I/O接口，但是循环速率更低；PXI控制器方式能够提供较多的I/O接口、具有较高的控制速率(20kHz以上)，但硬件成本较高。LabVIEWRT模块在8.0版本之后，支持将标准的DesktopPC转变为Real-Time(实时)目标机，配置通用的PCI数据采集卡，实现高的循环控制速率(10kHz以上)并提供了丰富的I/O接口，与PXI系统相比具有较高的性价比优势。系统的控制程序是通过上位机的LabVIEWRT开发系统完成的，包括上位机的人机界面和下位机的实时控制程序。上、下位机工作方式，通过TCP/IP网络实现通讯，上位机将实时控制程序下载到下位机RT引擎中进行运行和调试。在控制软件的开发中，上位机主要运行的是人机交互界面，接受操作人员的命令输入及显示数据等;下位机主要运行实时控制程序，接受上位机的命令信号，进行相应的数据采集及实时控制。它们之间的通信是靠网络共享变量机制来实现的。网络共享变量是LabVIEW新推出的一种变量，它利用NIPublish-SubscribeProtocol(NI-PSP)通过网络来发送和接收数据。调用网络共享变量时，首先得在网络的SVE(sharedvariableengine)上部署网络共享变量。当向这个共享变量中写人数据时，LabVIEW将这个新的值发送给网络上的SVE、SVE然后将这个值发布出去，使得网络上其它的节点可以得到这个更新的值。如图4，气动机械手各关节采用流量比例控制，使用PCI-6229卡(多功能数据采集卡)输出控制信号；同时使用PCI-602(8通道正交编码器计数器卡)检测编码器的角度信号和零位信号。系统在跟踪给定输入信号时，摆动气缸两腔压力变化的不均匀性和气缸活塞摩擦力等因素对系统的动态性能影响很大。采用前馈补偿极点配置自校正控制方法能有效弥补这些缺点。该方法具有较好的在线辨识能力，无需调整控制器参数，在空载和10kg质量负载情况下，输入期本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三自由度气动机械手关节控制系统，其特征是：所述机械手控制算法由轨迹插补模块对途径点分段，采用过四点的3次多项式插值运算，将计算结果输入运动学反解模块，计算出关节坐标下各关节的对应的角度，将各运动关节轨迹送入到关节控制器模块中进行关节运动控制，由编码器的测量值实时计算机械手末端的位置。

【技术特征摘要】
1.一种三自由度气动机械手关节控制系统，其特征是：所述机械手控制算法由轨迹插补模块对途径点分段，采用过四点的3次多项式插值运算，将计算结果输入运动学反解模块，计算出关节坐标下各关节的对应的角度，将各运动关节轨迹送入到关节控制器模块中进行关节运动控制，由编码器的测量值实时计算机械手末端的位置。2.根据权利要求1所述的一种三自由度气动机械手关节控制系统，其特征是：所述控制系统的控制程序是通过上位机的LabVIEWRT开发系统完成的，包括上位机的人机界面和下位机的实时控制程序。3.根据权利要求1所述的一种三自由度气动机械手关节控制系统，其特征是：所述上、下位...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓萍，
申请(专利权)人：周晓萍，
类型：发明
国别省市：辽宁,21