一种吸盘式墙面作业机器人四轴同步控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人技术领域，特别地涉及一种吸盘式墙面作业机器人四轴同步控 制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国现代城市化进程的加快，城市高层酒店、高层住宅、机关及企事业单位办 公大厦等高层建筑物的增加和普及，此类建筑物涉及到外墙清洗、广告安装、火警救援、安 全求助等事件越来越多，并且越来越难以操作和实施。采用机器人代替人工进行这些极其 危险的高空作业，把人从恶劣的环境和繁重的劳动中解脱出来。但目前国内外尚无能够攀 沿一般墙面的机器人替代人工实施上述相关工作。
[0003] 同步控制性能是机器人的一个关键技术指标，关系到机器人动作的协调和一致 性。同步控制一般分为机械方式和电气方式，机械方式通过电机带动机械主轴运动，其他从 轴通过变速箱等齿轮机构连接机械主轴保持同步运动，该方式机械结构复杂，体积庞大，且 易磨损和老化等；电气方式通过电机连接每个单独的传动轴，各个电机之间是相互独立安 装，也称为无轴传动方式，该方式具有简化机械结构，减少机械噪音，控制精度高、维护方便 等特点，目前一般采用主从速度同步控制，首先给定主电机设定期望速度，其他电机跟随主 电机进行运动，该同步控制方法属于串行方式，主电机和其他从电机之间的运动存在时间 滞后，系统的同步误差大，抗干扰能力差。
[0004] 因此，提供一种同步性好，运行速度和运行精度高的吸盘式墙面作业机器人四轴 同步控制系统是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种吸盘式墙面作业机器人四轴同步控制系统。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种吸盘式墙面作业机器人四轴同步控制系统， 包括吸盘组、电机组、摆杆组和气动系统，上述吸盘组包括主吸盘、第一从吸盘、第二从吸 盘、第三从吸盘和第四从吸盘，第一从吸盘、第二从吸盘、第三从吸盘和第四从吸盘位于主 吸盘的四周；电机组包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，摆杆组包括第一摆杆、 第二摆杆、第三摆杆和第四摆杆，第一电机通过第一摆杆与第一从吸盘驱动连接，第二电机 通过第二摆杆与第二从吸盘驱动连接，第三电机通过第三摆杆与第三从吸盘驱动连接，第 四电机通过第四摆杆与第四从吸盘驱动连接；主吸盘、第一从吸盘、第二从吸盘、第三从吸 盘和第四从吸盘均与气动系统动力连接。
[0007] 优选地，还包括控制器、第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，第一 驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器均与控制器通讯连接，第一驱动器、第二驱 动器、第三驱动器、第四驱动器分别与第一电机、第二电机、第三电机、第四电机通讯连接。
[0008] 优选地，控制器与第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器通过 EtherCAT总线通讯连接。
[0009] 本发明还提供一种吸盘式墙面作业机器人四轴同步控制方法，包括以下步骤：
[0010] Sl :建立电机的运动方程；
[0011] S2:定义跟踪误差ei(t)、同步误差εια)和耦合误差<(〇;
[0012] S3 :定义控制量U1⑴；
[0013] S4 :设计控制转矩M1。
[0014] 优选地，在步骤Sl中，建立电机的运动方程具体方式为：
[0015] 定义电机的运动方程如下
[0017] 式中S1 (t)表示第i轴的实际位置，上和C i分别表示转动惯量和非线性特性，F 1表 示外部干扰，11表示输入转矩；
[0018] 定义同步函数s2, s3, S4)如下
[0025] 优选地，在步骤S2中，定义跟踪误差&(〇、同步误差￡l(t)和耦合误差<(?)的具 体方式为：
[0026] 由⑷定义第i轴的位置跟踪误差为
[0030] 由式（5)和（6)定义四轴的耦合误差<(〇,它包含位置跟踪误差ei(t)和位置同 步误差ε i(t)
[0032] 式中α是一个正系数。
[0033] 优选地，在步骤S3中，定义控制量U1 (t)为
[0035] 式中β是一个正系数。
[0036] 优选地，在步骤S4中，设计控制转矩M1的具体方式为：
[0037] 从式（8) U1⑴的定义中得到Ii1⑴
[0039] 设计转矩M1使得h i⑴位于滑模面上，则<(〇和<(〇将趋于零，那么ε i⑴也将 趋于零，达到四轴位置同步控制的目的；
[0040] 已知电机参数.L和C ,_，设计转矩M,为
[0042] 式中1和k s为正系数。
[0043] 与现有技术相比，本发明所提供的吸盘式墙面作业机器人四轴同步控制系统及控 制方法中，通过设计控制转矩使得跟踪误差和同步误差趋于零，简化四轴之间的控制关系， 降低四轴之间的控制难度，具有同步性好，稳定性好和抗干扰性强等特点，同步精度能够提 高30%以上，同步运行速度能够提高20%以上。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明所公开的吸盘式墙面作业机器人四轴同步控制系统的一种实施例 的结构示意图。
【具体实施方式】
[0045] 本发明的目的是提供一种能吸附在粗糙铅垂面的吸盘式墙面作业机器人四轴同 步控制系统。
[0046] 为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进 行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制 作用。
[0047] 请参考图1，在一种实施例中，本发明所提供的一种吸盘式墙面作业机器人四轴同 步控制系统，包括吸盘组、电机组、摆杆组和气动系统，上述吸盘组包括主吸盘5、第一从吸 盘1、第二从吸盘2、第三从吸盘3和第四从吸盘4,第一从吸盘1、第二从吸盘2、第三从吸 盘3和第四从吸盘4位于主吸盘5的四周；电机组包括第一电机6、第二电机7、第三电机 8和第四电机9,摆杆组包括第一摆杆10、第二摆杆11、第三摆杆12和第四摆杆13,第一电 机6通过第一摆杆10与第一从吸盘1驱动连接，第二电机7通过第二摆杆11与第二从吸 盘2驱动连接，第三电机8通过第三摆杆12与第三从吸盘3驱动连接，第四电机9通过第 四摆杆13与第四从吸盘4驱动连接；主吸盘5、第一从吸盘1、第二从吸盘2、第三从吸盘3 和第四从吸盘4均与气动系统动力连接；还包括控制器、第一驱动器、第二驱动器、第三驱 动器和第四驱动器，第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器均与控制器通讯连 接，第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器分别与第一电机6、第二电机7、第三 电机8、第四电机9通讯连接；控制器与第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器 通过EtherCAT总线通讯连接。
[0048] 与现有技术相比，上述实施例所描述的吸盘式墙面作业机器人四轴同步控制系 统，在气动系统的动力支持下，通过主吸盘5完成旋转和吸住墙面，通过电机组和摆杆组带 动第一从吸盘1、第二从吸盘2、第三从吸盘3、第四从吸盘4完成机器人的运动和墙面吸附。 [0049] 为了方便对实施例的方案进行理解，以下对本实施例