一种3自由度气动串联机械手的关节控制器的制作方法

本发明涉及一种控制系统，特别是一种3自由度气动串联机械手的关节控制器。

背景技术：

目前大多数伺服机器人的驱动都是采用电动机或液压方式，在易燃易爆的环境中使用极不方便。气动技术是流体控制的一个重要分支，具有成本低、作效率高、功率质量比大、无污染、使用维护方便以及对环境要求低等优点。气动伺服技术已能满足一些多点定位的工业现场，但在要求更复杂、功能更精细的工业场合还存在一定难度，如喷漆机器人、涂胶机器人等对气动伺服连续轨迹控制有着更高的要求。BOBROW等建立了气动系统模型，使用扩展的自适应控制方法对3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。柏艳红等针对气动旋转位置系统提出了带摩擦力矩补偿的双环控制。因此由气动伺服系统驱动的机器人己成为工业应用领域的热门研究课题之一。

技术实现要素：

针对多关节机械手在运动时，关节的转动惯量、重力矩、关节间耦合力和力矩等都会发生变化，这些因素对系统的影响降低了机械手末端运动精度，提出关节控制器应具有一定鲁棒性。在此基础上，本发明提出了一种3自由度气动串联机械手的关节控制器。对关节控制器实施基于动力学模型的前馈动态补偿，以减少甚至消除扰动力矩对系统的影响，对于减小跟踪误差，改善系统动态性能都有着较为理想的效果。

本发明所采用的技术方案是：

所述3自由度气动机械手属于关节串联式开链机器人，机械手由腰、大臂、小臂3个关节组成。3个关节的运动位置可以控制机械手末端在迪卡尔空间坐标系中的位置。该机械手的特点是工作范围大、动作灵活、通用性强。

所述腰部转动关节由比例流量阀驱动齿轮齿条式摆动气缸实现，旋转编码器通过同步带轮与腰部转动轴相连检测角度信号。大臂、小臂关节的俯仰运动均由比例流量阀驱动单出杆双作用直线气缸实现，旋转编码器通过同步带轮与相应的运动轴相连检测角度信号。

所述关节式气动位置系统中，计算机作为系统控制器，根据旋转编码器测得的实际转角与设定转角的偏差计算出对比例阀的控制电压，驱动比例阀阀芯从而改变阀口开度控制气缸气体的流入与流出，使转角达到设定值。由于机械手运动过程中转动惯量、重力矩等参数均有较大的变化。要获得较高的控制精度就要采用具有一定鲁棒性的控制方法。极点配置法由于其计算量较小，实现较为简单，受到了较多的关注，因此作为关节控制策略。以腰部关节为例说明关节控制器设计过程。

所述机械手运动时，各关节的驱动力矩与关节的位置、速度和加速度均有关。若要取得较好的控制效果需准确地计算关节的驱动力矩，然后通过控制器实现。由于需要实时在线计算关节力矩，此方法增加了精确控制的难度。由路径规划计算得到的关节期望轨迹来计算各关节的扰动力矩，通过前馈补偿来减少乃至消除扰动产生的误差。由于系统的模型是规划路径的函数，而并非是机械手真实路径的函数，所以这种方法计算得到的力矩与真实的扰动力矩之间有一定的偏差，尽管如此仍具有较高的跟踪精度。但是却避免了以伺服速率进行复杂费时的动力学计算，提高了控制效率。

所述机械手轨迹插补模块对途径点进行分段，采用过四点的三次多项式插值运算，将结果输入运动学反解模块，计算关节坐标下各运动关节对应的角度，进而将计算得到的关节轨迹送入到关节控制器模块中进行运动控制，最后由编码器的测量值实时计算出机械手末端的位置。

本发明的有益效果是：对机械手进行了空间轨迹跟踪试验，与未加前馈控制进行了比较，结果表明系统的跟踪误差和稳态误差均明显减少，实现了机械手较高精度的连续轨迹控制，为进一步的研究奠定了基础。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的机械手结构原理图。

图2是本发明的腰部关节组成原理图。

图3是本发明的关节前馈控制框图。

图4是本发明的控制程序流程图。

图中：1.小臂关节；2.大臂关节；3.腰部关节；4.压力传感器；5.流量比例阀；6.摆动气缸；7.旋转编码器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，3自由度气动机械手属于关节串联式开链机器人,机械手由腰、大臂、小臂3个关节组成。3个关节的运动位置可以控制机械手末端在迪卡尔空间坐标系中的位置。该机械手的特点是工作范围大、动作灵活、通用性强。

腰部转动关节由比例流量阀驱动齿轮齿条式摆动气缸实现，旋转编码器通过同步带轮与腰部转动轴相连检测角度信号。大臂、小臂关节的俯仰运动均由比例流量阀驱动单出杆双作用直线气缸实现，旋转编码器通过同步带轮与相应的运动轴相连检测角度信号。

如图2，关节式气动位置系统中，计算机作为系统控制器，根据旋转编码器测得的实际转角与设定转角的偏差计算出对比例阀的控制电压，驱动比例阀阀芯从而改变阀口开度控制气缸气体的流入与流出，使转角达到设定值。由于机械手运动过程中转动惯量、重力矩等参数均有较大的变化。要获得较高的控制精度就要采用具有一定鲁棒性的控制方法。极点配置法由于其计算量较小，实现较为简单，受到了较多的关注，因此作为关节控制策略。以腰部关节为例说明关节控制器设计过程。

如图3，机械手运动时，各关节的驱动力矩与关节的位置、速度和加速度均有关。若要取得较好的控制效果需准确地计算关节的驱动力矩，然后通过控制器实现。由于需要实时在线计算关节力矩，此方法增加了精确控制的难度。由路径规划计算得到的关节期望轨迹来计算各关节的扰动力矩，通过前馈补偿来减少乃至消除扰动产生的误差。由于系统的模型是规划路径的函数，而并非是机械手真实路径的函数，所以这种方法计算得到的力矩与真实的扰动力矩之间有一定的偏差，尽管如此仍具有较高的跟踪精度。但是却避免了以伺服速率进行复杂费时的动力学计算，提高了控制效率。

如图4，机械手轨迹插补模块对途径点进行分段，采用过四点的三次多项式插值运算，将结果输入运动学反解模块，计算关节坐标下各运动关节对应的角度，进而将计算得到的关节轨迹送入到关节控制器模块中进行运动控制，最后由编码器的测量值实时计算出机械手末端的位置。