多节机械臂的控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多关节段，尤其涉及一种多节机械臂的控制系统及方法。
【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。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种多节机械臂的控制系统，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]本发明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]根据本发明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]根据本发明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]根据本发明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]根据本发明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]根据本发明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]根据本发明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]根据本发明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]本发明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]根据本发明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]根据本发明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]根据本发明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，本发明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。
【附图说明】
[0019]图1所示为本发明多节机械臂的控制系统的模块图；
[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所示为本发明多节机械臂的控制系统的另一模块图。
【具体实施方式】
[0023]图1所示为本发明多节机械臂的控制系统的模块图，多节机械臂的控制系统包括: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I。
[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