一种滑模控制的机械臂系统及其滑模控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种滑模控制的机械臂系统，其执行单元包括机械臂，且存在时滞状态；其控制单元包括观测模块、计算模块和控制模块；观测模块包括输出延时观测器，对时滞状态下的关键数值进行观测；并向计算模块进行反馈；计算模块建立第一数学模型，并计算第一数学参数；还接收观测模块的反馈数值，并建立含有时滞环节的第二数学模型，并计算第二数学参数；控制单元包括滑模控制器，具有基于第一数学参数的第一控制率，以及基于第二数学参数的第二控制率，生成改进控制信号发送到执行单元。本发明专利技术还提供相应的滑模控制方法、相应的滑模控制设备、相应的计算机可读存储装置和光学自动检测设备。本发明专利技术达到了对时滞状态下的机械臂的有效控制。效控制。效控制。

【技术实现步骤摘要】
一种滑模控制的机械臂系统及其滑模控制方法


[0001]本专利技术涉及半导体检测设备领域，特别是机械臂的滑模控制方法。

技术介绍

[0002]随着半导体行业的快速发展，并且晶圆生产所具有极高的附加值，使得半导体检测设备在半导体行业中的地位日益凸显。按照电子系统故障检测中的“十倍法则”，如果一个芯片的故障没有在测试中发现，那么当其在PCB级别发现时，成本就扩增为了原来的十倍。因此，半导体检测在整个产业中，扮演着十分重要的角色。在前道量测中，相比较于半自动检测设备，拥有机械手传片的全自动检测设备，有着工作效率高，工作性能可开的特点。同时，由于传输机械手一般为不间断地作业，就需要有极高的可靠性和稳定性。
[0003]而在信号传输的过程中，不可避免地，会产生时滞的现象，这种时滞现象的存在，就导致控制器所获取的信息是滞后的，造成了控制器对机械臂无法实现及时有效的控制，使得控制效果无法达到期望值。目前对机械臂的控制中，基本对时滞现象进行了忽略。本专利技术在考虑机械臂时滞现象的情况下，对其控制方法进行了相应的研究和设计。基于以上，本申请提供了解决以上技术问题的技术方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术第一方面在于获得一种适用于半导体检测的考虑时滞现象的滑模控制的机械臂系统。
[0005]本专利技术第二方面在于获得一种适用于半导体检测的考虑时滞现象的机械臂时滞状态下的滑模控制方法。
[0006]本专利技术第三方面在于获得适用于半导体检测的一种考虑时滞现象的滑模控制设备本专利技术第四方面在于获得一种考虑时滞现象的光学自动检测设备。
[0007]本专利技术的第一方面提供一种滑模控制的机械臂系统，其包括：
‑
执行单元，所述执行单元包括机械臂，且所述机械臂存在时滞状态；
‑
控制单元，所述控制单元包括观测模块、计算模块和控制模块；所述观测模块包括输出延时观测器，所述输出延时观测器设置为对所述机械臂的所述时滞状态下的关键数值进行观测；并将观测得到的所述时滞状态下的所述关键数值向所述计算模块进行反馈；所述计算模块包括对所述机械臂主体建立第一数学模型，并计算所述机械臂的第一数学参数；且所述计算模块还设置为接收所述观测模块的所述时滞状态下的所述反馈数值，并建立含有时滞环节的第二数学模型，并计算得到所述机械臂的第二数学参数；所述控制单元包括滑模控制器，所述滑模控制器设计为具有包括基于所述计算模块的第一数学参数的第一控制率，以及基于所述计算模块的第二数学参数的第二控制率，从而生成改进的控制信号发送到所述执行单元。
[0008]在本专利技术的一个优选实施方式中，所述时滞状态的关键数值包括角度、角速度、速度、加速度或其组合。
[0009]在本专利技术的一个优选实施方式中，所述时滞状态的关键数值包括角度和/或角速度。
[0010]本专利技术的第二方面提供一种机械臂时滞状态下的滑模控制方法，采用本专利技术所述的滑模控制的机械臂系统，包括如下步骤：
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采用执行单元进行执行操作，所述执行单元包括机械臂，且所述机械臂存在时滞状态；
‑
采用控制单元对所述执行单元进行控制，所述控制单元包括观测模块、计算模块和控制模块；采用所述观测模块对所述机械臂的所述时滞状态下的关键数值进行观测，包括观测模块包括输出延时观测器；并将观测得到的所述时滞状态下的所述关键数值的数值向所述计算模块进行反馈；所述计算模块对所述机械臂建立第一数学模型，并计算所述机械臂的第一数学参数；且所述计算模块还接收所述观测模块的所述时滞状态下的所述关键参数的反馈数值，并建立含有时滞环节的第二数学模型，从而得到所述机械臂的第二数学参数；所述控制单元的滑模控制器基于所述计算模块的第一数学参数的第一控制率，以及基于所述计算模块的第二数学参数的第二控制率，生成改进的控制信号发送到所述执行单元。
[0011]在本专利技术的一个优选实施方式中，所述机械臂建立的第一数学模型中：；其中，,,分别表示机械臂的位置、角速度和角速度矢量，M为所述机械臂的惯性矩阵：；C为所述机械臂的哥氏力矩阵：；K为所述机械臂的重力矢量：；u为控制率；
并且令,则可得到如下的所述机械臂的第一状态空间方程,则可得到如下的所述机械臂的第一状态空间方程。
[0012]在本专利技术的一个优选实施方式中，所述第二数学模型中：所述机械臂考虑了所述时滞状态的第二状态空间方程为。
[0013]在本专利技术的一个优选实施方式中，所述滑模控制器的第一控制率通过如下步骤得到：（1）滑膜面的设计(1.1)设计指令信号为r，引入跟踪误差信号为：；得到跟踪误差变化率为：；(1.2)设计一种非线性滑模面如下其中，f(e)为非线性函数，从而使得小误差放大，和大误差饱和；且所述f(e)的表达式如下所示；其中，为所设计的参数；得到滑模面的导函数为：；（2）控制律的设计（2.1）设计指数趋近律：上式中，；为常数，表示系统运动点趋近于切换面s=0时的速率；（2.2）将上式代入所述第一状态空间方程，用饱和函数来取代切换函数，用以抑制抖振现象的影响，即可得到所述第一控制率：其中，
e为跟踪误差信号，表达式如下所示，其中r为指令信号：e为跟踪误差信号，表达式如下所示，其中r为指令信号：为跟踪误差变化率，表达式如下所示，其中r为指令信号：f(e)为非线性函数，表达式如下所示，其中，为所设计的参数。
[0014]在本专利技术的一个优选实施方式中，所述观测模块的输出延时观测器，对时滞信号进行观测：其中，；其中,分别表示机械臂的位置、角速度，设计满足Hurwitz条件，即其特征根的实部为负；所述的延时观测器针对实际测量的延迟信号进行观测，并能将所观测到的延迟信号，进行校正；观测误差定义如下：可得到可得到上两式的解为其中，上式的表示初始时间；因为满足Hurwitz条件，由此可以得到，存在着正常数，满足即综上可得根据线性方程理论，求解可得
根据积分中值定理，就得到了上式中，；则得到已知，则是有界的；因此可以得出，当时，。
[0015]本专利技术的第三方面提供一种滑模控制设备，其包括本专利技术所述的滑膜控制的机械臂系统，且所述设备包括处理器以及存储器：所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行本专利技术所述的滑膜控制方法。
[0016]本专利技术的第四方面提供一种光学自动检测设备，其含有本专利技术所述的滑模控制的机械臂系统。
[0017]本专利技术能够带来以下至少一种有益效果：在机械臂的控制适用于半导体检测时，因为通信及信号传输的过程，不可避免地会产生时滞，从而影响控制器的控制效果。相比较目前已有的机械臂控制方法，本专利技术设计了一种基于输出延时观测器的滑模控制器。其中，输出延时观测器可以对时滞状态下机械臂的角度和角速度进行观测，并将观测的值反馈给设计的滑模控制器，从而达到了对时滞状态下的机械臂的有效控制。
附图说明
[0018]下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种滑模控制的机械臂系统，适用于半导体检测设备，其特征在于，其包括：
‑
执行单元，所述执行单元包括机械臂，且所述机械臂存在时滞状态；
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控制单元，所述控制单元包括观测模块、计算模块和控制模块；所述观测模块包括输出延时观测器，所述输出延时观测器设置为对所述机械臂的所述时滞状态下的关键数值进行观测；并将观测得到的所述时滞状态下的所述关键数值向所述计算模块进行反馈；所述计算模块包括对所述机械臂主体建立第一数学模型，并计算所述机械臂的第一数学参数；且所述计算模块还设置为接收所述观测模块的所述时滞状态下的所述反馈数值，并建立含有时滞环节的第二数学模型，并计算得到所述机械臂的第二数学参数；所述控制单元包括滑模控制器，所述滑模控制器设计为具有包括基于所述计算模块的第一数学参数的第一控制率，以及基于所述计算模块的第二数学参数的第二控制率，从而生成改进的控制信号发送到所述执行单元。2.如权利要求1所述的滑模控制的机械臂系统，其特征在于，所述时滞状态的关键数值包括角度、角速度、速度、加速度或其组合。3.如权利要求2所述的滑模控制的机械臂系统，其特征在于，所述时滞状态的关键数值包括角度和/或角速度。4.一种机械臂时滞状态下的滑模控制方法，其特征在于，采用如权利要求1~3任意一项所述的滑模控制的机械臂系统，包括如下步骤：
‑
采用执行单元进行执行操作，所述执行单元包括机械臂，且所述机械臂存在时滞状态；
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采用控制单元对所述执行单元进行控制，所述控制单元包括观测模块、计算模块和控制模块；采用所述观测模块对所述机械臂的所述时滞状态下的关键数值进行观测，包括观测模块包括输出延时观测器；并将观测得到的所述时滞状态下的所述关键数值的数值向所述计算模块进行反馈；所述计算模块对所述机械臂建立第一数学模型，并计算所述机械臂的第一数学参数；且所述计算模块还接收所述观测模块的所述时滞状态下的所述关键参数的反馈数值，并建立含有时滞环节的第二数学模型，从而得到所述机械臂的第二数学参数；所述控制单元的滑模控制器基于所述计算模块的第一数学参数的第一控制率，以及基于所述计算模块的第二数学参数的第二控制率，生成改进的控制信号发送到所述执行单元。5.如权利要求4所述的滑模控制方法，其特征在于，所述机械臂建立的第一数学模型中：；其中，,,分别表示机械臂的位置、角速度和角速...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑希特，
申请(专利权)人：魅杰光电科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：