专利名称：一种欠驱动机械臂控制装置及控制方法
一种欠驱动机械臂控制装置及控制方法技术领域
本发明属于自动控制领域，特别涉及一种欠驱动机械臂装置及控制方法。
技术背景
随着控制理论技术和工业技术不断发展，控制理论研究人员需要对复杂被控对象进行先进的、智能的控制算法研究，从而提高工业生产过程的稳定性和操作精度。为了避免资源浪费和安全隐患等不良后果，复杂控制算法需要首先在实验系统上进行有效性验证后，才能应用到实际工业过程中。因此，实验系统对复杂控制方法在实际工业生产中的应用起到至关重要的作用。
目前的欠驱动臂机械控制装置，采用计算机与板卡直接相连的方式，受到接线方式的限制，无法实现远程控制，也无法实现多台计算机共同控制一台设备，导致实验室的组建成本过高，造成资源的浪费。发明内容
针对现有装置及方法的不足，本发明提出一种欠驱动机械臂控制装置及控制方法，以达到实时远程控制、节约成本的目的。
本发明的技术方案是这样实现的包括上位机、AD采集卡、调理模块，调理模块包括信号调理电路、数据IO调理电路、AD信号采样调理电路，所述控制装置还包括嵌入式单板机、计数采集卡、驱动接口模块和被控对象模块，所述的调理模块还包括编码器输入调理电路、PWM输出调理电路，驱动接口模块由电机驱动接口电路组成，所述的被控对象模块包括编码器、电机、主动臂和欠驱动臂，其连接关系如下上位机的网卡输入输出端连接嵌入式单板机的网卡输入输出端，嵌入式单板机的第一输入输出端连接计数采集卡的输入输出端，嵌入式单板机的第二输入输出端连接AD采集卡的第一输入输出端，计数采集卡的第一输入端连接第一信号调理电路的输出端，计数采集卡的第二输入端连接第二信号调理电路的输出端，第一信号调理电路的输入端连接编码器输入调理电路的第一输出端，第二信号调理电路的输入端连接编码器输入调理电路的第二输出端，计数采集卡的输出端连接 PWM输出调理电路的第一输入端，AD采集卡的输出端连接PWM输出调理电路的第二输入端， AD采集卡的第二输入输出端连接数字IO调理电路的输入输出端，AD采集卡的输入端连接 AD信号采样调理电路的输出端，PWM输出调理电路的第一输出端连接第一电机驱动接口电路的输入端，PWM输出调理电路的第二输出端连接第二电机驱动接口电路的输入端；编码器输入调理电路的第一输入端连接第二编码器的输出端，编码器输入调理电路的第二输入端连接第一编码器的输出端，电机驱动接口电路的输出端连接电机的输入端；
所述的被控对象模块，其连接关系为电机固定在电机基座上，电机轴的一端连接主动臂的一端，电机轴的另一端连接第一编码器，所述的主动臂与欠驱动臂通过轴承连接， 在所述轴承的一端连接所述主动臂的另一端，在所述轴承的另一端连接第二编码器；
本发明的信号传递过程如下嵌入式单板机产生电压信号，经计数采集卡传递给PWM输出调理电路，由PWM输出调理电路产生脉冲给电机驱动接ロ电路，由电机驱动接ロ电 路驱动被控对象的电机启动，电机启动后，会带动主动臂及欠驱动臂运动，此时，主动臂与 欠驱动臂之间产生夹角，由编码器产生脉冲信号，输送给调理模块，调理模块对所述脉冲信 号进行处理后输送给计数采集卡，计数采集卡将所述脉冲信号转换为数字信号并传递给嵌 入式单板机，由嵌入式单板机根据该数字信号值发出第二轮控制命令，进而调节被控对象 电机的转矩。本发明ー种欠驱动机械臂控制装置的控制方法，包括以下步骤步骤1 欠驱动机械臂控制装置发出电压信号，启动欠驱动机械臂的电机，此时， 欠驱动机械臂静止于初始位置，所述的初始位置是指主动臂竖直向下，欠驱动臂与主动臂 成顺时针180°角；步骤2 欠驱动机械臂的电机带动主动臂和欠驱动臂摆起，至非完全竖直平衡位 置，此时欠驱动机械臂的电机所需转矩按照如下公式计算
权利要求
1.一种欠驱动机械臂控制装置，包括上位机、AD采集卡、调理模块，调理模块包括信号调理电路、数据IO调理电路、AD信号采样调理电路，其特征在于所述控制装置还包括嵌入式单板机、计数采集卡、驱动接口模块和被控对象模块，所述的调理模块还包括编码器输入调理电路、PWM输出调理电路，驱动接口模块由电机驱动接口电路组成，所述的被控对象模块包括编码器、电机、主动臂和欠驱动臂，其连接关系如下上位机的网卡输入输出端连接嵌入式单板机的网卡输入输出端，嵌入式单板机的第一输入输出端连接计数采集卡的输入输出端，嵌入式单板机的第二输入输出端连接AD采集卡的第一输入输出端，计数采集卡的第一输入端连接第一信号调理电路的输出端，计数采集卡的第二输入端连接第二信号调理电路的输出端，第一信号调理电路的输入端连接编码器输入调理电路的第一输出端，第二信号调理电路的输入端连接编码器输入调理电路的第二输出端，计数采集卡的输出端连接PWM输出调理电路的第一输入端，AD采集卡的输出端连接PWM输出调理电路的第二输入端，AD采集卡的第二输入输出端连接数字IO调理电路的输入输出端，AD采集卡的输入端连接AD信号采样调理电路的输出端，PWM输出调理电路的第一输出端连接第一电机驱动接口电路的输入端，PWM输出调理电路的第二输出端连接第二电机驱动接口电路的输入端；编码器输入调理电路的第一输入端连接第二编码器的输出端，编码器输入调理电路的第二输入端连接第一编码器的输出端，电机驱动接口电路的输出端连接电机的输入端。
2.根据权利要求1所述的欠驱动机械臂控制装置，其特征在于所述的被控对象模块， 电机固定在电机基座上，电机轴的一端连接主动臂的一端，电机轴的另一端连接第一编码器，所述的主动臂与欠驱动臂通过轴承连接，在所述轴承的一端连接所述主动臂的另一端， 在所述轴承的另一端连接第二编码器。
3.采用权利要求1所述的欠驱动机械臂控制装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤步骤1 欠驱动机械臂控制装置发出电压信号，启动欠驱动机械臂的电机，此时，欠驱动机械臂静止于初始位置，所述的初始位置是指主动臂竖直向下，欠驱动臂与主动臂成顺时针180°角；步骤2 调节欠驱动机械臂的电机转矩，使欠驱动机械臂的电机带动主动臂和欠驱动臂摆起，至非完全竖直平衡位置，所述的非完全竖直平衡位置是指主动臂与竖直向下方向逆时针成Cil角，欠驱动臂竖直向上，所述的Q1角的范围为135° 225° ；步骤3 通过编码器反馈的角度值判断欠驱动臂是否偏离预定的非完全竖直平衡位置，如偏离，则调整欠驱动机械臂的电机转矩，使欠驱动臂回到预定平衡位置，并保持维持该状态，所述的欠驱动机械臂的电机所需的转矩为rΣ Λ (zKKx+A w)U =违--ΣΛ·ω/=1其中π XMLi = Γ-Ki Π,Π = — ' Γ = —WW式中，U表示欠驱动机械臂的驱动电机对摆臂的转矩输入；X表示欠驱动机械臂摆臂的角度和角速度状态量；W表示欠驱动机械臂非完全竖直平衡位置的参考角度信号；Ki表示欠驱动机械臂非完全竖直平衡控制调节律的状态反馈增益系数；Li表示欠驱动机械臂非完全竖直平衡位置的参考角度信号权重调节系数；r表示非完全竖直平衡控制调节律的规则个数；λ i表示非完全竖直平衡控制调节律的隶属度函数；ζ表示非完全竖直平衡控制调节律的条件变量集合；步骤4:按步骤3计算出的欠驱动机械臂的电机转矩调整电机，使摆臂调整回预定的非完全竖直平衡位置，所述的预定的非完全竖直平衡位置由使用者自行设定，主动臂与竖直向下方向逆时针所呈夹角为135° 225°，且欠驱动臂竖直向上。
4.根据权利要求3所述的欠驱动机械臂控制装置的控制方法，其特征在于步骤2所述的欠驱动机械臂电机所需转矩，按照如下公式计算
全文摘要
一种欠驱动机械臂控制装置及控制方法，属于自动控制领域，过程为欠驱动机械臂控制装置发出电压信号，启动欠驱动机械臂电机；欠驱动机械臂的电机带动主动臂和欠驱动臂摆起，至非完全竖直平衡位置；通过编码器反馈的角度值判断欠驱动臂是否偏离预定的非完全竖直平衡位置，如偏离，则调整欠驱动臂回到预定平衡位置，并保持维持该状态按计算出的欠驱动机械臂的电机转矩调整电机，使摆臂调整回预定的非完全竖直平衡位置，本发明实现了上位机与嵌入式单板机的Internet连接，其通讯便捷且接口丰富，实现了对被控对象的实时控制，且支持多种语言编译。
文档编号B25J13/00GK102501250SQ20111032996
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者侯俊, 方正, 李丹, 王宏, 王良勇, 赵晨, 赵锋 申请人:东北大学, 宁波东大自动化智能技术有限公司