CN102554930A - 机械臂控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂控制系统及控制方法，通过在各旋转关节上安装角度传感器，各角度传感器将检测到的各个机械臂与其旋转关节点右水平面逆时针的夹角实时传回给各重力解耦模块，重力解耦模块把这些夹角进行线性组合，得到各个关节需要补偿重力的扭矩值，然后将这些扭矩值反馈输入给各关节的关节驱动器中与原有信号叠加。当机械臂动作时，可以克服重力对机械臂动作的影响，简化了机械臂的控制，实现了一组控制器参数可以整定动作幅值绝对值相同的机械臂动作，增加了控制器的适用性，减少了工作人员的工作强度。同时，本发明方法简单，实现容易，控制效果优异，进一步提高了机械臂系统的控制性能。

Description

机械臂控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种通过各关节动作角度实时反馈补偿，实现机械臂动作时无重力干扰的重力解耦技术。

背景技术

目前，多关节机械臂普遍采用控制器参数整定的控制系统，该系统是通过信号发生器产生相应的动作信号，控制器对动作信号整定，整定后的信号输入各臂关节驱动器，关节驱动器工作产生扭矩带动各臂动作。该系统通过控制器的参数整定，减小了动作信号带来的超调及机械臂稳定后的静态误差，实现了机械臂稳定有效的动作。根据行业标准，机械臂动作的超调误差应不大于3%。随着技术的发展，用户对设备的操作性能要求越来越高。动作超调和动作时间是识别机械臂控制性能的重要指标。现在机械臂动作采取闭环控制，超调量基本能控制在1%以内。

传统控制器进行机械臂动作的参数整定时，一个幅值动作信号就需要一组控制器整定参数。而当机械臂执行某项任务时，任务必然是由多个动作组成，若要动作有效稳定，也就意味着需要无数组控制器参数。这无疑增加了控制器的控制难度和工作人员的工作强度。同时由于工作环境因素，机械臂工作始终受到重力因素的影响，使机械臂控制成为非线性控制，机械臂在不同的位置，各关节受到的重力力矩也不同。这使控制难度增加不少，容易造成控制超调和偏差等不稳定情况。因此对于机械臂的连续稳定有效动作存在着一定的难度。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种机械臂控制系统及控制方法，能克服机械臂动作时重力因素的影响，降低机械臂的控制难度，不仅能在机械臂动作时完全抵消重力对各臂产生的力矩，而且其原理简单，容易实现，具有很强的应用性。

本发明的技术方案如下：一种机械臂控制系统，包括：控制器、限幅模块、关节驱动器和旋转关节，所述控制器与所述限幅模块相连，所述限幅模块与所述关节驱动器相连，所述关节驱动器与所述旋转关节相连，所述旋转关节与机械臂相连，在所述旋转关节上设置有角度传感器，所述角度传感器与重力解耦模块相连，所述重力解耦模块与所述关节驱动器相连。

本发明还提供了一种机械臂控制方法，包括如下步骤：

第一步、各关节驱动器从控制器获得整定后的动作控制信号，并将动作控制信号转化为扭矩信号，输入到各关节驱动器对应的各旋转关节上，各旋转关节做出相应的动作；同时，各旋转关节上的角度传感器实时检测各个机械臂与其旋转关节点右水平面逆时针的夹角，并输入给各臂对应的重力解耦模块中。

第二步、重力解耦模块根据力矩平衡原理，将这些夹角进行线性组合，得到各个关节需要补偿重力的扭矩值：

其中：L _1~n 为机械臂各臂臂长，G _1~n 为机械臂各臂所受到的重力， _1~n为各个机械臂与其旋转关节点右水平面逆时针的夹角；

第三步、把需要补偿的各重力扭矩补偿到相应的各旋转关节上。

与现有技术相比，本发明的优点是：能实现各关节动作时，其关节的重力因素影响完全得到补偿的效果。当机械臂动作时，可以克服重力对机械臂动作的影响，简化了机械臂的控制，实现了一组控制器参数可以整定动作幅值绝对值相同的机械臂动作，增加了控制器的适用性，减少了工作人员的工作强度。同时，本发明方法简单，实现容易，控制效果优异，进一步提高了机械臂系统的控制性能。  

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的流程原理图。

具体实施方式

一种机械臂控制系统，如图1所示，包括：信号发生器、限幅模块、控制器、关节驱动器、旋转关节、机械臂、角度传感器和重力解耦模块等，其中：所述信号发生器与所述控制器相连，所述控制器与限幅模块相连，所述限幅模块与所述关节驱动器相连，所述关节驱动器与所述旋转关节相连，所述旋转关节分别与所述机械臂和所述角度传感器相连，所述角度传感器与所述信号发生器产生的信号相减后与所述控制器相连，形成闭环控制回路。同时，所述角度传感器与所述重力解耦模块相连，所述重力解耦模块反馈回原回路，与所述关节驱动器相连，形成重力解耦反馈回路。该系统的工作流程为：首先由信号发生器发出指定的动作控制信号（电信号），该动作控制信号经过控制器整定后，再经过限幅模块，输入关节驱动器，在关节驱动器中把电信号转化为扭矩信号，关节驱动器把扭矩信号输入到各关节的旋转关节中，各旋转关节使各臂相应动作。同时各旋转关节上都安装了角度传感器，各角度传感器将检测到的各个机械臂与其旋转关节点右水平面逆时针的夹角实时传回给各重力解耦模块，重力解耦模块把这些夹角进行线性组合，得到各个关节需要补偿重力的扭矩值，然后将这些扭矩值反馈输入给各关节的关节驱动器中与原有信号叠加。这就构成了完整的具有重力解耦技术的机械臂控制系统。

一种机械臂控制方法，包括如下步骤：

第一步、各关节驱动器从控制器获得整定后的动作控制信号，并将动作控制信号转化为扭矩信号，输入到各关节驱动器对应的各旋转关节上，各旋转关节做出相应的动作；同时，各旋转关节上的角度传感器实时检测各个机械臂与其旋转关节点右水平面逆时针的夹角，并输入给各臂对应的重力解耦模块中。

第二步、重力解耦模块根据力矩平衡原理，将这些夹角进行线性组合，得到各个关节需要补偿重力的扭矩值：

对于n关节的机械臂系统，其具有n个机械臂，设靠近底座的机械臂为第1个机械臂，依次排序，远离底座的机械臂为第n个机械臂，L _1~n 为机械臂各臂臂长，G _1~n 为机械臂各臂所受到的重力， _1~n为各个机械臂与其旋转关节点右水平面逆时针的夹角，则各个关节需要补偿重力的扭矩值分别为：

……

第三步、把需要补偿的各重力扭矩补偿到相应的各旋转关节上。

这样，当多关节机械臂动作时，其旋转关节就可以不考虑重力因素对其动作的影响。实现机械臂动作时的重力解耦，简化了机械臂的控制。大量减少了工作人员的工作量，增强了机械臂的适应性，提高了操作的舒适性和施工质量。

Claims (2)

1.一种机械臂控制系统，包括：控制器、限幅模块、关节驱动器和旋转关节，所述控制器与所述限幅模块相连，所述限幅模块与所述关节驱动器相连，所述关节驱动器与所述旋转关节相连，所述旋转关节与机械臂相连，其特征在于：在所述旋转关节上设置有角度传感器，所述角度传感器与重力解耦模块相连，所述重力解耦模块与所述关节驱动器相连。

2.一种利用权利要求1所述的机械臂控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 

第一步、各关节驱动器从控制器获得整定后的动作控制信号，并将动作控制信号转化为扭矩信号，输入到各关节驱动器对应的各旋转关节上，各旋转关节做出相应的动作；同时，各旋转关节上的角度传感器实时检测各个机械臂与其旋转关节点右水平面逆时针的夹角，并输入给各臂对应的重力解耦模块中；

第二步、重力解耦模块根据力矩平衡原理，将这些夹角进行线性组合，得到各个关节需要补偿重力的扭矩值：

其中：L _1~n 为机械臂各臂臂长，G _1~n 为机械臂各臂所受到的重力，

_1~n为各个机械臂与其旋转关节点右水平面逆时针的夹角；

第三步、把需要补偿的各重力扭矩补偿到相应的各旋转关节上。

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