專利名稱：并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，屬于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人一般采用開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，即基座和末端執(zhí)行器之間只有一條運(yùn)動(dòng)鏈連接，對(duì)于具有這種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，也稱其為串聯(lián)機(jī)器人。串聯(lián)機(jī)器人具有工作空間大、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)也使得它存在誤差累積、剛度小、承載能力低等缺點(diǎn)，這都限制了串聯(lián)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的性能。為了彌補(bǔ)串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方面的不足，提高機(jī)器人的性能，人們提出了一種新型的具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的機(jī)器人——并聯(lián)機(jī)器人。由于并聯(lián)機(jī)器人的基座和末端執(zhí)行器之間具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)鏈，多個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈同時(shí)操作末·端執(zhí)行器，不僅可以減小累積誤差，而且使得并聯(lián)機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)速度快、剛度大、承載能力強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的高性能運(yùn)動(dòng)控制，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)良好的控制器。根據(jù)所使用的模型不同，并聯(lián)機(jī)器人的控制器可以分為運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器和動(dòng)力學(xué)控制器兩大類。其中動(dòng)力學(xué)控制器的原理就是在給定了并聯(lián)機(jī)器人期望運(yùn)動(dòng)軌跡后，利用動(dòng)力學(xué)模型求解逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，計(jì)算得到跟蹤期望運(yùn)動(dòng)軌跡所需要的驅(qū)動(dòng)力矩，然后控制各個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的驅(qū)動(dòng)裝置輸出相應(yīng)的力矩，從而使并聯(lián)機(jī)器人按照期望軌跡運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)，并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型在動(dòng)力學(xué)控制中具有重要意義，而動(dòng)力學(xué)控制的核心問(wèn)題就是并聯(lián)機(jī)器人的逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，因此，并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)控制也稱作逆動(dòng)力學(xué)控制。典型的并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制器包括增廣ro控制器和計(jì)算力矩控制器。由于充分考慮了并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，動(dòng)力學(xué)控制器在理論上具有較好的性能，尤其在高速運(yùn)動(dòng)控制中，采用動(dòng)力學(xué)控制器能夠獲得比運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器更好的控制效果。并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)控制器都是直接來(lái)源于傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)器人的控制方法，這些控制器在串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中能達(dá)到較好的控制效果。但是，當(dāng)把這些方法用于并聯(lián)機(jī)器人控制時(shí)，從本質(zhì)上講它們都沒(méi)有考慮到并聯(lián)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈這一特點(diǎn)，忽視了各支鏈間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈之間往往存在機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性的差異，因此各個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)控制精度不同，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。此外，并聯(lián)機(jī)器人的多個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)機(jī)構(gòu)，因此，各個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)控制精度不同會(huì)大幅增加閉鏈機(jī)構(gòu)中的約束力，故現(xiàn)有動(dòng)力學(xué)控制器不能保證整個(gè)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制精度。特別是對(duì)于冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，冗余驅(qū)動(dòng)會(huì)進(jìn)一步加深動(dòng)力學(xué)模型的非線性程度，各個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈之間存在的約束力也會(huì)被放大，從而并聯(lián)機(jī)器人的協(xié)調(diào)性不能保證，甚至機(jī)械結(jié)構(gòu)也會(huì)損壞。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決并聯(lián)機(jī)器人的現(xiàn)有動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)中存在的無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈之間存在的約束力增加，并導(dǎo)致整個(gè)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制精度較低的問(wèn)題，進(jìn)而提供了一種并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，包括協(xié)調(diào)控制模塊、非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊和非線性摩擦力補(bǔ)償模塊；所述協(xié)調(diào)控制模塊用于輸出協(xié)調(diào)控制信號(hào)τ el,所述協(xié)調(diào)控制信號(hào)τ el由比例增益矩陣Kd和組合誤差信號(hào)s組成,記為τ ε1 = KdS ；所述非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊用于輸出動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)τ ，所述動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)τ e2記為k = - C，其中的Me表示并聯(lián)機(jī)器人的慣性矩陣，Ce表示科里奧利矩陣，C表示參考速度，用于對(duì)期望速度的修正，私表示參考加速度，用于對(duì)期望加速度的修正；所述非線性摩擦力補(bǔ)償模塊用于輸出摩擦力補(bǔ)償信號(hào)τ #所述摩擦力補(bǔ)償信號(hào)·τ e3記為Te3 = STfa,其中的fa表示關(guān)節(jié)的非線性摩擦力，S表示速度雅克比矩陣。本發(fā)明實(shí)施方式提供的技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人多運(yùn)動(dòng)鏈之間的同步運(yùn)動(dòng)，其中的同步誤差包括了跟蹤誤差信息，隨著同步誤差的減小，跟蹤誤差也將減小，因此提高了連續(xù)軌跡跟蹤的精度；并且同步誤差還包含了軸與軸之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息，因此同步誤差中的每一項(xiàng)不但包括了對(duì)應(yīng)軸的信息，還包括了其他運(yùn)動(dòng)軸的信息，從而同步誤差可以調(diào)整軸與軸之間的關(guān)系。
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本具體實(shí)施方式
提供的同步誤差的定義示意圖；圖2是本具體實(shí)施方式
提供的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制模塊的原理示意圖；圖3是本具體實(shí)施方式
提供的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊的原理不意圖；圖4是本具體實(shí)施方式
提供的并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)施圖；圖5是本具體實(shí)施方式
提供的實(shí)際并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的軌跡跟蹤誤差曲線，其中圖5a表示X軸運(yùn)動(dòng)方向的軌跡跟蹤誤差，圖5b表示Y軸運(yùn)動(dòng)方向的軌跡跟蹤誤差；圖6是本具體實(shí)施方式
提供的實(shí)際并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的軌跡同步誤差曲線，其中圖6a表示X軸運(yùn)動(dòng)方向的同步誤差，圖6b表示Y軸運(yùn)動(dòng)方向的同步誤差。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
本發(fā)明的具體實(shí)施方式
提供了一種并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，包括協(xié)調(diào)控制模塊、非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊和非線性摩擦力補(bǔ)償模塊；所述協(xié)調(diào)控制模塊用于輸出協(xié)調(diào)控制信號(hào)τ el,所述協(xié)調(diào)控制信號(hào)τ el由比例增益矩陣Kd和組合誤差信號(hào)s組成,記為τ ε1 = KdS ；所述非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊用于輸出動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)τ ，所述動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)τ e2記為I2 =Μ^+￡^；，其中的表示并聯(lián)機(jī)器人的慣性矩陣，Ce表示科里奧利矩陣，C表示參考速度，用于對(duì)期望速度的修正，C表示參考加速度，用于對(duì)期望加速度的修正；所述非線性摩擦力補(bǔ)償模塊用于輸出摩擦力補(bǔ)償信號(hào)τ #所述摩擦力補(bǔ)償信號(hào)τ e3記為Te3 = STfa,其中的fa表示關(guān)節(jié)的非線性摩擦力，S表示速度雅克比矩陣。具體的，令ff表示末端執(zhí)行器的期望軌跡，則跟蹤誤差向量et= [etx ety]T可表示為·. =q -qe々日/mJ，速度跟蹤誤差4可以表示為Kh由圖I的幾何關(guān)系可知，估計(jì)輪廓誤差4可以表示為4 =(- . sin 0 + % cos 0)從圖I中可以得出，通過(guò)減小估計(jì)輪廓誤差^，并聯(lián)機(jī)器人的末端執(zhí)行器可以快速地靠近期望軌跡；而通過(guò)減小跟蹤誤差et，這種靠近并不明顯。故相對(duì)于跟蹤誤差et來(lái)說(shuō)，估計(jì)輪廓誤差4對(duì)軌跡跟蹤精度的影響更大，因此可以將估計(jì)輪廓誤差4定義為同步誤差es，則同步誤差es可以表示為
?！猻in θ~^ =ec = {-etx sin+ > cosΘ) ■ Q相應(yīng)的，同步速度誤差4可以表不為
Γηη<30 i ~f-sinJ Γ-sin6>sin2Θ-StyQζο%2θ
L J5 ~L cosi9J { Lcos< J -%6>cos20-e;vi sin20如圖2所示，基于同步誤差es的表達(dá)式，交叉耦合誤差e。?？梢员硎緸閑cc =et +R\[es( w)Jw其中，R是耦合誤差參數(shù)，則交叉耦合速度誤差4可以表示為ecc=et+&es由交叉耦合誤差e。。和交叉耦合速度誤差4，則組合誤差s可以表示為s = ecc+Pecc其中，P是組合誤差參數(shù)矩陣，組合速度誤差i可以表示為s = ecc+Pecc如圖2所示，可以計(jì)算得到協(xié)調(diào)控制模塊輸出的協(xié)調(diào)控制信號(hào)τ el表示為Tel = KdS其中的Kd是比例增益矩陣，將交叉耦合誤差e。。、交叉耦合速度誤差^和組合誤差s代入?yún)f(xié)調(diào)控制信號(hào)τ el的表達(dá)式中可進(jìn)一步得到τΑ=Κ ,s=Kd{ecc+Pe ) = Kd + Pet +Res +P-R es (w)dw>j
從上述協(xié)調(diào)控制信號(hào)τ el的表達(dá)式可以得出，協(xié)調(diào)控制模塊包含了跟蹤誤差信息和同步誤差信息一方面，跟蹤誤差采用ro (比例微分)控制方式消除從而獲得快速的跟蹤能力；另一方面，同步控制誤差采用pi (比例積分)控制方式從而獲得精確的同步能力。由圖3可知，參考速度信號(hào)C可以表示為= < - Rex+ Pe“相應(yīng)的，參考加速度信號(hào)C可以表示為C = I + s = ^ - Re, + Pecc因此，可以計(jì)算得到非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊輸出的動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)可表示為Te2 = Meq'e + Ceq'e為了克服并聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)的非線性摩擦力影響，將非線性摩擦力補(bǔ)償模塊的輸出信號(hào)τ e3表不為:τ e3 = STfa其中，關(guān)節(jié)的非線性摩擦力fa可以表示為fai = Bviqai ++)其中，Bvi表示粘滯摩擦力系數(shù)，^表示主動(dòng)關(guān)節(jié)的速度，fn和f2i分別表示庫(kù)侖摩擦力和Stribeck摩擦力的幅值，ωπ和ω 2i分別表示S型函數(shù)對(duì)庫(kù)侖摩擦力和Stribeck曲線的近似程度，i = 1，. . .，n，這里η表示關(guān)節(jié)的數(shù)目。圖4給出了并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)施圖，其中并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制律可以表示為
權(quán)利要求
1.并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括協(xié)調(diào)控制模塊、非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊和非線性摩擦力補(bǔ)償模塊； 所述協(xié)調(diào)控制模塊用于輸出協(xié)調(diào)控制信號(hào)Tel，所述協(xié)調(diào)控制信號(hào)Tel由比例增益矩陣Kd和組合誤差信號(hào)s組成，記為T el = KdS ; 所述非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊用于輸出動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)\2，所述動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)記為=MJi: +CJfc，其中的表示并聯(lián)機(jī)器人的慣性矩陣，(；表示科里奧利矩陣，C表示參考速度，用于對(duì)期望速度的修正，私表示參考加速度，用于對(duì)期望加速度的修正； 所述非線性摩擦力補(bǔ)償模塊用于輸出摩擦力補(bǔ)償信號(hào)\3，所述摩擦力補(bǔ)償信號(hào)記為T e3 = STfa，其中的fa表示關(guān)節(jié)的非線性摩擦力，S表示速度雅克比矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述組合誤差信號(hào)S由耦合誤差e。。和耦合誤差變化量I通過(guò)線性組合的方式獲得，記為S = Kc +Pecc，其中P為組合誤差參數(shù)矩陣；所述的耦合誤差e。。通過(guò)跟蹤誤差et和同步誤差es的比例一積分組合得到，記為& = +R\[es(w)dw，其中R是耦合誤差參數(shù)；所述的同步誤差es為連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的估計(jì)輪廓誤差之。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述參考速度私'記為名' =€ +包 ，其中的#表示期望速度，es表示同步誤差，e。。表示f禹合誤差；所述參考加速度 記為劣=qi ^Res +Pecc，其中的七表示期望加速度、<表示同步誤差變化量，4c表不稱合誤差變化量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述關(guān)節(jié)的非線性摩擦力fa記為/ = H+/uC1-1+ Imnllm)+fva-i+Jmiiiu)，其中的Bvi表示粘滯摩擦力系數(shù)，表示主動(dòng)關(guān)節(jié)的速度，f\i和f2i分別表示庫(kù)侖摩擦力和Stribeck摩擦力的幅值，Coli和co2i分別表示S型函數(shù)對(duì)庫(kù)侖摩擦力和Stribeck曲線的近似程度，i = I,. . . , n, n表示關(guān)節(jié)的數(shù)目。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，包括協(xié)調(diào)控制模塊、非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊和非線性摩擦力補(bǔ)償模塊；協(xié)調(diào)控制模塊用于輸出協(xié)調(diào)控制信號(hào)τe1，協(xié)調(diào)控制信號(hào)τe1由比例增益矩陣Kd和組合誤差信號(hào)s組成，記為τe1＝Kds；非線性動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償模塊用于輸出動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)τe2，動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償信號(hào)τe2記為非線性摩擦力補(bǔ)償模塊用于輸出摩擦力補(bǔ)償信號(hào)τe3，摩擦力補(bǔ)償信號(hào)τe3記為τe3＝STfa。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人多運(yùn)動(dòng)鏈之間的同步運(yùn)動(dòng)，其中的同步誤差包括了跟蹤誤差信息，隨著同步誤差的減小，跟蹤誤差也將減小，提高了連續(xù)軌跡跟蹤的精度；同步誤差還包含了軸與軸之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息，同步誤差中的每一項(xiàng)包括了對(duì)應(yīng)軸的信息和其他運(yùn)動(dòng)軸的信息，從而可以調(diào)整軸與軸之間的關(guān)系。
文檔編號(hào)B25J9/16GK102785245SQ201210282710
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者叢爽, 尚偉偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)