一种滑模控制的机械臂系统及其滑模控制方法与流程

1.本发明涉及半导体检测设备领域，特别是机械臂的滑模控制方法。


背景技术：

2.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。
3.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。本发明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，本技术提供了解决以上技术问题的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.本发明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。
6.本发明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发明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。
7.本发明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。
8.在本发明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。
9.在本发明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。
10.本发明的第二方面提供一种机械臂时滞状态下的滑模控制方法，采用本发明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；-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。
11.在本发明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。
12.在本发明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。
13.在本发明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。
14.在本发明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，。
15.本发明的第三方面提供一种滑模控制设备，其包括本发明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发明所述的滑膜控制方法。
16.本发明的第四方面提供一种光学自动检测设备，其含有本发明所述的滑模控制的机械臂系统。
17.本发明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，本发明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
18.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说明。
19.图1是本发明的控制逻辑图；图2是本发明在matlab/smulink中的模型图；图3是采用不同滑模面对时滞机械臂模型的控制效果对比；图4是角度的观测值和理想值对比；图5是角度的误差估计（
×
1估计误差速度）；图6是角速度的观测值和理想值对比（
×
2观测值角速度）；图7是角速度的误差估计（
×
2观测误差）；图8是滑模面曲线图；图9是控制律曲线图；图10是机械臂动力学模型的示意图。
具体实施方式
20.本发明中，发明人针对“aoi全自动检测设备中，因为信号的采集和通信网络的传输过程，所产生的时滞现象导致机械臂控制的不稳定”这一技术问题，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，避免了按照电子系统故障检测中的“十倍法则”会产生的后续的误差放大。
21.本发明要解决的技术问题是在aoi全自动检测设备中，因为信号的采集和通信网络的传输过程，所产生的时滞现象导致机械臂控制的不稳定。
22.本发明的技术构思在于，采用输出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。
23.其次，本发明设计了一种基于输出延时观测器的滑模控制器，在时滞状态下的机械臂上，能达到良好的控制效果，解决了由于通信及传输过程所产生的时滞对控制效果的影响。
24.更佳地，本发明的动力学建模是以机械臂的定轴旋转运动为研究对象，根据拉格朗日动力学方程进行力学建模，并设计了特定的滑模面和控制律，从而抑制了抖振现象的影响。
25.除非另有明确的规定和限定，本发明中所述的“或”，包含了“和”的关系。所述“和”相当于布尔逻辑运算符“and”，所述“或”相当于布尔逻辑运算符“or”，而“and”是“or”的子集。
26.除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
27.可以理解到，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明构思的教导。
28.以下对本发明的各个方面进行详述：执行单元所述执行单元包括机械臂主体，所述机械臂主体的动力学模型是以机械臂的定轴旋转运动为研究对象，对机械臂进行动力学建模。
29.如图10所示，xoy为绝对坐标系，xoy为随动坐标系，θ是机械臂旋转的角度。l是机械手的长度，ρ是其密度，a是横截面积，i是惯性矩，e是杨氏模量，u是扭矩。机械臂旋转的轴套半径为r。y(x,t)是机械臂在xoy坐标系上距离旋转中心x处的振动位移。
30.在此基础上，根据拉格朗日动力学方程进行力学建模，可得到机械臂的数学模型其中，,,分别表示机械臂的位置、角速度和角速度矢量；
m为机械臂的惯性矩阵：；c为机械臂的哥氏力矩阵：；k为机械臂的重力矢量：；u为控制率。
31.令,则可得到如下的状态空间方程其中，。
32.考虑其状态时滞，则其状态空间方程为所述机械臂主体的时滞状态根据输出延时观测器得到的时滞信号进行调节，具体参见下节中关于“延时观测器”的描述。
33.本发明举出了较为优选的动力学模型建模设计（图4可以看出控制效果极佳）。还可以采用其他可选的动力学模型建模设计，只要达到所需的需求即可。
34.滑模控制器设计（一）滑膜面的设计设计指令信号为r，引入跟踪误差信号为则可以得到跟踪误差变化率为设计一种非线性滑模面如下其中，f（e）为非线性函数，其具有“小误差放大，大误差饱和”的功能，它的表达式如下所示
其中，为所设计的参数。得到滑模面的导函数为本发明举出了较为优选的滑模面设计（图4可以看出控制效果极佳）。还可以采用其他可选的滑模面设计，只要达到所需的需求即可。
35.（二）控制律的设计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，当的取值越小时，趋近速率就越小。当取值较大时，运动点到达切换面的速率就越大，会导致被控对象产生较大的抖振。这里选用了指数趋近律，来进行控制律的设计，可以得到；将上式代入状态空间方程，同时为了抑制抖振现象的影响，可考虑用饱和函数来取代切换函数，即可得到控制律；延时观测器的设计引入了输出延时观测器，对时滞信号进行观测，将观测所得的信号给到滑模控制器，以此来实现在状态时滞下，滑模控制器仍有较好的控制性能。
36.针对时滞系统，设计如下观测器其中，；设计满足hurwitz条件，即其特征根的实部为负。所设计的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。
37.观测误差定义如下：可得到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。
38.因此可以得出，当时，。
39.基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
41.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
42.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等描述的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
43.需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
44.实施例1一、机械臂动力学模型以aoi全自动检测设备的机械手为对象，进行matlab下的仿真研究。
45.高度；机械臂长度为415mm；厚度c=2.5mm；密度；轴套半径r=30mm；质量，。
46.令,则可得到如下的状态空间方程其中，；考虑其状态时滞，则其状态空间方程为二、基于输出延时观测器的滑模控制器设计（一）滑膜面的设计设计指令信号为r，引入跟踪误差信号为；则可以得到跟踪误差变化率为；设计一种非线性滑模面如下；其中，f（e）为非线性函数，其具有“小误差放大，大误差饱和”的功能，它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（二）控制律的设计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，当的取值越小时，趋近速率就越小。当取值较大时，运动点到达切换面的速率就越大，会导致被控对象产生较大的抖振。这里选用了指数趋近律，来进行控制律的设计，可以得到
将上式代入状态空间方程，同时为了抑制抖振现象的影响，可考虑用饱和函数来取代切换函数，即可得到控制律（三）延时观测器的设计引入了输出延时观测器，对时滞信号进行观测，将观测所得的信号给到滑模控制器，以此来实现在状态时滞下，滑模控制器仍有较好的控制性能。
47.针对时滞系统，设计如下观测器其中，。
48.设计满足hurwitz条件，即其特征根的实部为负。所设计的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：可得到可得到可得到上两式的解为其中，上式的表示初始时间。
49.因为满足hurwitz条件，由此可以得到，存在着正常数，满足即。
50.综上可得：根据线性方程理论，求解可得。
51.根据积分中值定理，就得到了。
52.上式中，。
53.则得到
已知，则是有界的。因此可以得出，当时，。
54.给定时滞为0.2s，期望轨迹qd＝2sin0.1t；初始条件为q0＝0。进行 仿真，所得结果如图4所示。
55.结果讨论所得到的结果如图4所示，示出了角度的观测值和理想值对比。由此可见，本发明通过动力学建模（以机械臂的定轴旋转运动为研究对象，根据拉格朗日动力学方程进行力学建模，并设计了特定的滑模面和控制律，从而抑制了抖振现象的影响），采用输出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。能达到良好的控制效果，解决了由于通信及传输过程所产生的时滞对控制效果的影响，避免了按照电子系统故障检测中的“十倍法则”会产生的后续的误差放大。
56.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。