多节机械臂的控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多节机械臂的控制系统，多节机械臂的控制系统包括：遥控装置，用于向该多节机械臂发送运动指令；多个关节段，该多个关节段依次连接；移动执行机构，与该多个关节段连接；多个位姿传感器，用于测量各该关节段的角度信息；位姿处理器，所述位姿处理器接收该多个位姿传感器所发出的该角度信息，并建立以该回转支座的回转中心为原点的三维空间坐标系，将该角度信息转换为该三维空间坐标系中的相对角度，以得到该多个关节段的位姿数据；移动轨迹优化运算器，使用优化算法计算对每个该关节段所需要移动的角度和速度；运动伺服控制器，用于根据该关节段所需要移动的角度和速度，控制该移动执行机构。
【专利说明】多节机械臂的控制系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种多关节段，尤其涉及一种多节机械臂的智能控制系统。
【背景技术】
[0002] 现有的多关节段由4?6节长度不等的关节段通过摆动关节段依次相连，组成一 个具有6个关节段的平面关节型机械臂，其一端与一个回转支座相连，通过支座带动关节 段回转运动可以使关节段自由端实现一定空间范围内的任意移动，根据其长度的不同该机 构常用于输送混凝土如混凝土泵车，或输送人员设备如高空平台车，也用于如排爆机器人 或狭小空间作业的机器人小车等设备。
[0003] 多关节段自由端位置的控制是利用安装在各个活动关节上的驱动机构驱动关节 的张开或收拢使机械臂在空间角度和长度发生变化去改变机械臂自由端的空间位置。如采 用液压油缸驱动或直流伺服电机驱动。
[0004] 使用过程中，为实现臂架自由端位置的变化，须要多臂节及回转机构的联合动作 来实现。操作者需要根据使用经验和现场判断对每一个关节段进行位姿的调整才可以移动 臂架自由端到达工作要求位置，如图1所示，臂架自由端位置A移动到B点，需要第4和第 2第3三节臂架联合动作，而且由于各个臂架张开的角度和速度只依靠操作员肉眼判断，所 以臂架自由端位移的无法平稳过渡。一般的机械臂的人工位姿调整性无法兼顾机械臂各关 节姿态对工作的影响机械臂如充当混凝土布料机械时对输送混凝土过程中对混凝土流动 的影响，又如机械臂充当焊接机器人手臂时对焊接气体即焊接材料的输送，以及机械臂的 负荷应力等因素。不恰当的臂架姿态对机械臂工作过程中的稳定性和机械臂的寿命都有着 很大的负面影响。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种多节臂的控制系统，用以解决现有的多节机械臂 通过人工目测调节，对机械臂工作过程中的稳定性和机械臂的寿命都有着很大的负面影响 的问题。
[0006] 本实用新型一种多节机械臂的控制系统，该多节机械臂包括回转支座和多个关节 段，该多个关节段依次连接，该多个关节段的一端设置于该回转支座的回转中心，该控制系 统包括：遥控装置，用于向该多节机械臂发送运动指令；移动执行机构，与该多个关节段连 接，用于驱动该多个关节段运动；多个位姿传感器，对应安装于该多个关节段上，用于测量 各该关节段的角度信息；位姿处理器，与该多个位姿传感器连接，所述位姿处理器接收该多 个位姿传感器所发出的该角度信息，并建立以该回转支座的回转中心为原点的三维空间坐 标系，将该角度信息转换为该三维空间坐标系中的相对角度，以得到该多个关节段的位姿 数据；移动轨迹优化运算器，用于获取该位姿处理器的该位姿数据，并根据该运动指令结合 该位姿数据，使用优化算法计算对每个该关节段所需要移动的角度和速度；运动伺服控制 器，用于根据该关节段所需要移动的角度和速度，控制该移动执行机构，使得该移动执行机 构对应驱动各该关节段运动。
[0007] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制系统的一实施例，其中，该运动指令为该 机械臂末端的运动方向矢量和速度。
[0008] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制系统的一实施例，其中，该位姿传感器为 绝对光电编码器传感器、电流型模拟传感器或电压型模拟传感器。
[0009] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制系统的一实施例，其中，该位姿处理器还 对该角度信息进行平滑和滤波处理。
[0010] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制系统的一实施例，其中，该遥控装置能够 控制一或多个该关节段锁定。
[0011] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制系统的一实施例，其中，该移动轨迹优化 运算器根据没有锁定的关节段计算优化路径。
[0012] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制系统的一实施例，其中，该移动轨迹优化 运算器使用优化算法计算对每个该关节段所需要移动的角度和速度包括：该移动轨迹优化 运算器接收该遥控装置发出的该多节机械臂的自由端所需移动的目标位置，按照该自由端 移动的最小位移量，计算各该关节段所应移动的角度和速度。
[0013] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制系统的一实施例，其中，，通过求逆解方程 及最小范数法求解每节机械臂的逆运动。
[0014] 本实用新型还提供了一种多节机械臂的控制方法，一种多节机械臂的控制方法， 该多节机械臂包括：多个关节段，该多个关节段依次连接，该多个关节段的一端设置于多节 机械臂的回转支座；该控制方法包括：测量各该机械臂的角度信息；建立以机械臂的回转 中心为原点的三维空间坐标系，将该角度信息转换为该三维空间坐标系中的相对角度，以 得到多个关节段的位姿数据；根据运动指令结合该位姿数据，使用优化算法计算对每个该 关节段所需要移动的角度和速度；根据每个该关节段所需要移动的角度和速度，控制该移 动执行机构，使得该移动执行机构对应驱动各该关节段运动。
[0015] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制方法，其中，过滤因关节段晃动所产生的 该角度信息的变动。
[0016] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制方法，其中，控制一或多个该关节段锁定。
[0017] 根据本实用新型一种多节机械臂的控制方法，其中，该运动指令包括：多节机械臂 的自由端所需移动的目标位置信息；根据运动指令结合该位姿数据，使用优化算法计算对 每个该关节段所需要移动的角度和速度包括：接收发出机械臂的自由端所需移动的目标位 置信息，按照该自由端移动的最小位移量，计算各该关节段所应移动的角度和速度。
[0018] 综上所述，本实用新型通过设置多个位姿传感器测量各该关节段的角度信息，移 动执行机构驱动该多个关节段运动，运动伺服控制器控制向该移动执行机构发送各关节段 所需要移动的角度和速度，使得运动伺服控制器、移动执行机构6与位姿传感器4组成机械 臂移动闭环控制系统。并通过位姿处理器以及移动轨迹优化运算器进行优化计算，获得各 关节段所需要移动的角度和速度。也就达到了对多节机械臂的自动控制，提高了机械臂工 作过程中的稳定性和机械臂的寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1所示为本实用新型多节机械臂的智能控制系统的模块图；
[0020] 图2所示为多节机械臂的连接结构示意图；
[0021] 图3所示为多节机械臂的连接结构在三维空间坐标系中的示意图；
[0022] 图4所示为本实用新型多节机械臂的智能控制系统的另一模块图。
【具体实施方式】
[0023] 图1所示为本实用新型多节机械臂的智能控制系统的模块图，多节机械臂的智能 控制系统包括：运动伺服控制器1、移动轨迹优化运算器2、位姿处理器3、多个位姿传感器 4、遥控装置5、移动执行机构6以及多个关节段7。
[0024] 如图1所示，遥控装置5能够与移动轨迹优化运算器2通信。多个位姿传感器4 对应安装于多个机械臂上，多个位姿传感器4均与位姿处理器3连接。位姿处理器3连接 移动轨迹优化运算器2。移动轨迹优化运算器2连接运动伺服控制器1。
[0025] 图2所示为多节机械臂的连接结构示意图，如图2所示，多个关节段7 -般为4-6 节关节机械臂，以5节关节机械臂为例，多节机械臂的连接结构包括：关节段11-15依次连 接，关节段11的一端设置于多节机械臂的回转支座10的回转中心。关节段11-15依次铰 链方式固定在一个回转支座10的回转中心。关节段之间通过铰链连接，每一节关节段均可 以在被驱动作用下，绕连接的铰链做0?360度的回转，关节段11可以饶回转支座10的回 转中心做0?360度的回转。回转支座10自身也可以做0?360度的回转。
[0026] 图3所示为多节机械臂的连接结构在三维空间坐标系中的示意图，参考图1、图2 以及图3,多个位姿传感器4分别对应设置在关节段11-15上，用以测量各个关节段的绝对 角度，并将测得的绝对角度传送给位姿处理器3。位姿处理器3建立以回转支座10的回转 中心为原点的三维空间坐标系XYZ。并将各个关节段的绝对角度对应转换为三维空间坐标 系中的相对角度。并计算多个关节段的位姿数据。位姿数据包括：多节机械臂相对回转中 心10的旋转角Φ，关节段11与水平面的夹角，关节段12与水平面的夹角θ 2，关节段 13与水平面的夹角θ3，关节段14与水平面的夹角θ4以及关节段15与水平面的夹角θ 5， 关节段11与水平地面的节臂的夹角ai、关节段12与水平地面的节臂的夹角α2、关节段13 与水平地面的节臂的夹角α 3、关节段14与水平地面的节臂的夹角α4以及关节段15与水 平地面的节臂的夹角α 5。关节段11的长度Ll，关节段12的长度L2，关节段13的长度L 2， 关节段14的长度L2以及关节段15的长度L2。
[0027] 移动轨迹优化运算器2读取位姿处理器3所生成的机械臂位姿数据和遥控装置5 所发出的机械臂移动方向及速度命令，以最佳优化运动轨迹计算各个关节段11-14所需要 移动的角度和速度，并把计算的角度和速度结果发送给运动伺服控制器1。运动伺服控制 器1根据移动轨迹优化运算器2计算的角度和速度结果控制移动执行机构6驱动各关节段 11-15运动。
[0028] 移动执行机构6可以包括：电机、传动机构以及油缸或汽缸等。电机以及油缸用于 控制各关节段的移动，因此，上述实施例中，位姿处理器3可以利用上述各关节段间的夹角 和各关节段的长度，还可以计算出各个关节段对应的油缸长度，并利用油缸长度的当前位 置以及变化数据计算各关节段的位姿数据以及运动数据。
[0029] 对于一种实施方式，由于大型机械手臂如混凝土布料机构，机械系统特性导致各 个关节段在移动过程中会发生一定范围内的晃动，造成位姿传感器4所测量的各个关节段 的绝对角度值随关节段的晃动而改变，但此种角度的变化并不代表宏观上关节段的位姿发 生了改变。因此，位姿处理器3接收各个关节段上的姿状态传感器4所发出的绝对数据并 根据优化算法对数据进行处理过程中，需要过滤因关节段晃动所产生的错误数据，并消除 关节段的晃动造成的影响。
[0030] 过滤因关节段晃动所产生的错误数据的具体实现可以通过位姿处理器3利用中 位值平均滤波电路对机械臂角度抖动进行平滑和滤波处理。位姿处理器3对各个位姿传感 器4所发出的绝对角度坐标进行快速连续采样，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算 采样数据的算术平均值，以达到过滤因关节段晃动所产生的错误数据，并消除关节段的晃 动造成的影响。
[0031] 参考图1至4,操作人员控制遥控装置5,仅需考虑机械臂的自由端16的位置的移 动，向机械臂的自由端16发出类似如前进、后退、上升、下降、斜向上以及斜下降等方向信 号，目视引导机械臂自由端向所需位置移动即可。而各关节段具体的运动通过移动轨迹优 化运算器2进行计算。
[0032] 移动轨迹优化运算器2首先对遥控装置5所给出的运动方向矢量信号进行解析， 将运动命令按照自由端16的移动最小位移量进行分解，利用遗传算法依次对各个关节段 所需的插补运动进行计算，得到各个关节段在最小位移步长内的运动方向和速度大小。即 移动轨迹优化运算器2可以通过不断对最小位移步长进行迭代运算，最终机械臂运动轨迹 即为最小位移迭代之和。最终获得最小位移步长下的机械臂运动数据矩阵。运动伺服控制 器3根据运动矩阵数据控制移动执行机构6,以实现机械臂的移动。
[0033] 在一实施方案中，遥控装置5所输出的自由端16的移动方向和速度大小信号，是 移动轨迹优化运算器2是否开始最小位移迭代累加运算的开关信号，S卩如遥控装置5不发 送移动方向和速度大小信号，则移动轨迹优化运算器2即中断运算，同时机械臂运动伺服 控制器3也命令移动执行机构6停止动作。
[0034] 假设遥控装置5为十字摇杆遥控装置，摇杆的方向的X方向以及Y方向，分别用于 对应控制图3中象限X轴以及Y轴的方向，当十字摇杆遥控装置改变控制方向，如十字摇杆 从X正向滑移到X轴正向与Y轴正向所构成象限中的任意方向，则移动轨迹优化运算器2 在完成机械臂的X轴正向移动最后一个最小位移运算后，立即转到改变后的方向上进行直 线运动的最小位移步长运算。
[0035] 图4所示为本实用新型多节机械臂的智能控制系统的另一模块图，如图4所示，遥 控装置5与遥控接收器8进行通信。遥控接收器8、位姿传感器4、位姿处理器3以及移动 优化运算器2均通过数据总线9连接。
[0036] 如图4所示，遥控装置5发出机械臂的移动及方向控制信号。遥控接收器8接收 此移动及方向控制信号。位姿传感器4测得各关节段的绝对角度。位姿处理器3通过数据 总线9接收各关节段11-15的绝对角度，位姿处理器3建立以回转支座10的回转中心为 原点的三维空间坐标系，并将各个关节段的绝对角度对应转换为三维空间坐标系中的相对 角度。移动轨迹优化运算器2通过数据总线9接收移动及方向控制信号以及各个关节段的 三维空间坐标系中的相对角度，以最佳优化运动轨迹计算各个关节段所需要移动的角度和 速度。移动轨迹优化运算器2将各个关节段所需要移动的角度和速度信息发送给运动伺服 控制器1。运动伺服控制器1对移动执行机构发送控制信号，控制移动执行机构6根据控制 信号，分别控制回转支座10、关节段11、关节段12、关节段13、关节段14以及关节段15,按 照优选移动方案控制机械臂向目标位置平稳移动。
[0037] 其中，上述实施例中的遥控装置5可以使摇杆控制装置、计算机或输出方向适量 信号的硬件。
[0038] 其中，上述实施例中的位姿传感器3可以为绝对光电编码器传感器、电流型模拟 传感器或电压型模拟传感器等。
[0039] 如图1-4所示，有时候，机械臂所处空间可能会出现干涉机械关节段运动的障碍 物，在这种使用环境中操作员可以通过遥控装置5,根据具体情况锁定某一关节段或几个关 节段的空间位置，当操作员改变机械臂自由端16的位置时，移动轨迹优化运算器2将首先 保持被锁点关节段的空间位置不变，根据没有锁定的关节段的进行机械臂最佳优化移动轨 迹的计算和控制，例如锁定关节段11以及12不变，此时，仅需计算关节段13-15所需移动 的位置。
[0040] 在多臂节联合运动的自动化控制中关键的问题就是机械臂逆运动的求解，可以将 机械臂简化为一组具有多冗余度机械手的控制问题进行解决，即通过求逆解方程及最小范 数法求解每节机械臂的逆运动。最小范数法能够保证在完成移动到指定目标的同时，保持 各关节结构的连续平稳且各关节的加速度值较小，因此采用最小范数法来求解机械臂的逆 运动。
[0041] 通过以上方法，可以实现对机械臂移动到指定目标的轨迹计算及控制。并且对每 一节关节段的张开或缩小速度进行独立计算和控制，保证了臂架末端轨迹移动速度的稳 定。在机械臂移动过程中，每节关节段相对于关节驱动机构的力臂随着关节段空间位置断 发生而变化，上述实施例实时调整每节关节段的驱动力，保证每节关节段移动速度按照移 动轨迹优化运算器所得出的计算结果一致。
[0042] 本实用新型另外提供了一种多节机械臂的控制方法，可以利用上述的多节机械臂 的智能控制系统实现，多节机械臂的控制方法包括：
[0043] 测量各该机械臂的角度信息；
[0044] 建立以机械臂的回转中心为原点的三维空间坐标系，将该角度信息转换为该三 维空间坐标系中的相对角度，以得到多个关节段的位姿数据；
[0045] 根据运动指令结合该位姿数据，使用优化算法计算对每个该关节段所需要移动的 角度和速度；
[0046] 根据每个该关节段所需要移动的角度和速度，控制该移动执行机构，使得该移动 执行机构对应驱动各该关节段运动。
[0047] 其中，多节机械臂的控制方法还可以包括，过滤因关节段晃动所产生的角度信息 的变动。
[0048] 其中，多节机械臂的控制方法还可以包括，控制一或多个该关节段锁定，控制其余 未锁定的关节段运动。
[0049] 上述的运动指令包括：多节机械臂的自由端所需移动的目标位置信息。
[0050] 上述的根据运动指令结合该位姿数据，使用优化算法计算对每个该关节段所需要 移动的角度和速度包括：接收发出机械臂的自由端所需移动的目标位置信息，按照该自由 端移动的最小位移量，计算各该关节段所应移动的角度和速度。
[0051] 综上所述，本实用新型采用最小步进方式控制臂架末端移动的节拍速率，通过设 置多个位姿传感器测量各该关节段的角度信息，移动执行机构驱动该多个关节段运动，运 动伺服控制器控制向该移动执行机构发送各关节段所需要移动的角度和速度，使得运动伺 服控制器、移动执行机构与位姿传感器组成机械臂移动闭环控制系统。并通过位姿处理器 以及移动轨迹优化运算器进行优化计算，获得各关节段所需要移动的角度和速度。也就达 到了对多节机械臂的自动控制，提高了机械臂工作过程中的稳定性和机械臂的寿命。
[0052] 虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明 和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离本实用 新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在所附权利要 求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改 型都应为所附权利要求所涵盖。
【权利要求】
1. 一种多节机械臂的控制系统，该多节机械臂包括回转支座和多个关节段，该多个关 节段依次连接，该多个关节段的一端设置于该回转支座的回转中心，其特征在于，该控制系 统包括： 遥控装置，用于向该多节机械臂发送运动指令； 移动执行机构，与该多个关节段连接，用于驱动该多个关节段运动； 多个位姿传感器，对应安装于该多个关节段上，用于测量各该关节段的角度信息； 位姿处理器，与该多个位姿传感器连接； 移动轨迹优化运算器，与该位姿处理器通信连接； 运动伺服控制器，与该移动轨迹优化运算器通信连接，用于控制该移动执行机构，使得 该移动执行机构对应驱动各该关节段运动。
2. 如权利要求1所述的多节机械臂的控制系统，其特征在于，该位姿传感器为绝对光 电编码器传感器、电流型模拟传感器或电压型模拟传感器。
3. 如权利要求1所述的多节机械臂的控制系统，其特征在于，该遥控装置能够控制一 或多个该关节段锁定。
【文档编号】G05D3/00GK203882196SQ201420141792
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】揭琳锋, 刘洪庆, 李悦 申请人:中集车辆（集团）有限公司, 扬州中集通华专用车有限公司