CN103728972B - 多机械臂同步控制实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

多机械臂同步控制实验平台及实验方法，属于同步控制仿真技术领域。其特征在于：包括仿真控制单元以及执行单元，仿真控制单元为依次相连的上位机、DSPACE平台、ARM平台，ARM平台同时与一个或多个分布式同步控制器及上位机相连，执行单元为与分布式同步控制器对应，与ARM平台相连的机械臂执行单元。实验方法包括：（1）、对机械臂进行建模；（2）、对机械臂的动力学模型进行仿真；（3）、同步控制代码的转换及下发；（4）、ARM平台的调度处理；（5）、分布式同步控制器的执行；（6）、机械臂的动作；（7）、仿真测试结束。本发明具有通用的、开放性较高，能够为大多数非线性复杂网络控制算法提供测试环境的优点。

Description

多机械臂同步控制实验平台及实验方法

技术领域

多机械臂同步控制实验平台及实验方法，属于同步控制仿真技术领域。具体涉及一种为非线性复杂网络各种同步、协调或一致控制算法设计的一种开放的、通用的实验平台及实验方法。

背景技术

非线性复杂网络系统的同步控制、协调控制或一致性控制是控制理论界的难题。近年来，学术界提出了一些控制算法，大都通过计算机仿真验证，缺乏通用的实验手段。目前，通过机械臂进行仿真是常用的方式之一，但是目前大多数机械臂实验平台都是针对单个机械臂的，能够实现机械臂的路径规划、关节跟踪控制算法测试和实验结果分析，所述这类单机械臂实仿真平台不能完成对同步控制、协调控制或一致控制等非线性复杂网络控制算法的测试。虽有文献报道组建了同步控制测试系统，但是它们仅能够测试所开发的控制算法，缺乏开放性和通用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通用的、开放性较高，能够为大多数非线性复杂网络控制算法提供测试环境的多机械臂同步控制实验平台及实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该多机械臂同步控制实验平台，其特征在于：包括仿真控制单元以及与仿真控制单元相连的执行单元，所述的仿真控制单元包括上位机、DSPACE平台、ARM平台以及多个分布式同步控制器，上位机与DSPACE平台相连，DSPACE平台与ARM平台相连，ARM平台同时与一个或多个分布式同步控制器相连，ARM平台同时与上位机相连，所述的执行单元为与每个分布式同步控制器相连，由分布式同步控制器控制的机械臂执行单元，机械臂执行单元同时与ARM平台相连。

所述的机械臂执行单元包括底座以及固定在底座上的与分布式同步控制器一一对应的多个机械臂。

所述的机械臂为六连杆结构，六连杆结构的底部与底座相固定，顶部设置有机械夹手，6个连杆以及顶部的机械夹手之间形成的6个关节处均设置有一个伺服电机，每个伺服电机均由一个伺服控制器进行控制，每个伺服电机的输出轴上均设置有一个与ARM平台相连的角度传感器。

所述的分布式同步控制器以及机械臂分别设置有5个。

所述的分布式同步控制器可由单片机或PLC实现。

多机械臂同步控制实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1001，对机械臂进行建模；

通过安装在上位机上的ADAMS软件建立多机械臂的动力学模型；

步骤1002，对机械臂的动力学模型进行仿真；

通过安装在上位机上的ADAMS软件与MATLAB软件的程序接口，通过MATLAB软件对多机械臂的动力学模型进行仿真，并通过MATLAB软件形成同步控制算法的代码；

步骤1003，同步控制代码的转换及下发；

上位机将MATLAB软件形成的同步控制算法的代码发送至DSPACE平台，在DSPACE平台内将MATLAB软件的同步控制算法代码转换为汇编语言，并继续下发至下级的ARM平台；

步骤1004，ARM平台的调度处理；

ARM平台接收到DSPACE平台下发的汇编语言程序之后，根据其内预设的调度流程对程序进行处理下发，实现对分布式同步控制器的控制；

步骤1005，分布式同步控制器的执行；

分布式同步控制器接收到ARM平台的控制程序后，根据其内预设的执行流程实现对伺服控制器的控制；

步骤1006，机械臂的动作；

伺服控制器在分布式同步控制器的作用下实现对伺服电机动作的控制，通过伺服电机带动机械臂动作；

步骤1007，仿真测试结束；

通过机械臂的动作实现分布式同步控制的仿真。

步骤1004中所述的调度流程，包括如下步骤：

步骤2001，开始；

开始运行调度流程；

步骤2002，硬件初始化；

ARM平台对其内部的硬件初始化；

步骤2003，通讯协议设定并接受上级数据；

初次运行时，ARM平台首先进行通讯协议的设定，设定完成之后，ARM平台接收上级DSPACE平台下发的同步控制算法程序；

步骤2004，通讯协议协定并下发控制算法；

初次运行时，ARM平台首先进行通讯协议的设定，设定完成之后，ARM平台将接收到的同步控制算法下发至每一个分布式同步控制器；

步骤2005，接收传感器数据并进行误差计算；

测试仿真过程中，ARM平台实时接收各角度传感器的数据，并进行位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的计算；

步骤2006，误差计算结果及传感器数据的下发；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的结果以及接收到的角度传感器的数据下发至各分布式同步控制器；

步骤2007，误差计算结果的上传；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的结果上传至上位机进行显示；

步骤2008，误差绝对值是否大于阈值；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差与预设定的阈值进行比较，判断位置误差和同步误差是否同时小于预设定的阈值，如果同时小于预设定的阈值，执行步骤2009，否则执行步骤2010；

步骤2009，仿真测试成功；

同步控制算法仿真测试成功；

步骤2010，判断仿真测试时间是否大于阈值时间；

ARM平台判断已进行的仿真测试时间是否已超过预设定的仿真测试时间，如果未超过，返回步骤2005，如果已超过预设定的阈值时间，执行步骤2011；

步骤2011，停止并修改算法；

ARM平台停止继续进行仿真测试，并由测试人员修改同步控制算法。

步骤1005中所述的执行流程，包括如下步骤：

步骤3001，开始；

开始运行调度流程；

步骤3002，硬件初始化；

每个分布式同步控制器对其内部的硬件初始化；

步骤3003，通讯协议设定并接收ARM平台数据；

初次进行通讯时，每个分布式同步控制器首先进行通讯协议的设定，然后接受由ARM平台下发的数据；

步骤3004，伺服控制器输入的计算及下发；

每个分布式同步控制器根据ARM平台下发的数据对其控制的每个伺服控制器的运行参数进行计算，并将计算出的运行参数分别下发至每个伺服控制器；

步骤3005，分布式同步控制器判断程序是否停止；

分布式同步控制器判断程序是否停止，如果已停止，执行步骤3006，如果未停止，返回步骤3003；

步骤3006，程序停止；

分布式同步控制器停止接收ARM平台的数据并停止计算伺服控制器的运行参数。

与现有技术相比，本发明的所具有的有益效果是：

本发明的多机械臂同步控制实验平台及实验方法是一个开放式系统，可以根据用户的目标要求，测试其所开发的各种同步控制、协调控制或一致控制等算法，并对实验结果做出相应评价，通用性及开放性较高，能够为大多数非线性复杂网络控制算法提供测试环境。同时具有较高的测试精度，使用方便、安装快速，能将用户从复杂繁琐的实验平台搭建工作中解放出来，将主要精力投入到算法设计等科研工作中。通过开发软件和硬件系统，实现同步功能，具体设计灵活、体积小、成本低等优点。

附图说明

图1为多机械臂同步控制实验平台原理方框图。

图2为多机械臂同步控制实验平台机械臂执行单元原理方框图。

图3为多机械臂同步控制实验平台机械臂执行单元结构示意图。

图4为多机械臂同步控制实验平台机械臂结构示意图。

图5为多机械臂同步控制实验方法流程示意图。

图6为多机械臂同步控制实验方法ARM平台调度流程示意图。

图7为多机械臂同步控制实验方法分布式同步控制器执行流程示意图。

其中：1、底座  2、机械臂  3、连杆  4、机械夹手  5、伺服电机。

具体实施方式

图1~7是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~7对本发明做进一步说明。

如图1~图2所示，本发明的多机械臂同步控制实验平台包括仿真控制单元以及与仿真控制单元相连的，实现仿真控制单元同步控制算法的执行单元。

仿真控制单元包括上位机、DSPACE平台、ARM平台以及多个分布式同步控制器。上位机与DSPACE平台相连，DSPACE平台与ARM平台相连，ARM平台同时与多个分布式同步控制器相连，ARM平台同时直接与上位机相连。执行单元为与每个分布式同步控制器连接的由分布式同步控制器控制的机械臂执行单元。在本发明中，分布式同步控制器设置有5个，机械臂执行单元内设置有与5个分布式同步控制器一一对应的5个机械臂。在本发明中，每个机械臂内设置有6个伺服电机，每个伺服电机分别由一个伺服控制器控制，每个机械臂内的6个伺服控制器由机械臂相对应的分布式同步控制器统一连接控制；每个伺服电机的转轴上同时安装有角度传感器，5个机械臂内的共30个角度传感器同时与ARM平台相连。

上位机可用常见的台式计算机或工控计算机实现，在上位机内安装有ADAMS软件和MATLAB软件，使用ADAMS软件设计多机械臂动力学模型，为用户提供模型参数设置窗口，用户可根据自身需要，对模型参数设计或修改。运用MATLAB软件中的GUI模块和SIMULINK模块，开发多机械臂同步控制算法设计环境，提供复杂网络通讯拓扑结构图设计模块、同步控制算法设计模块，运用这些模块，用户能够自主开发设计多机械臂系统同步、协调或一致控制算法。在上位机内设置有MATLAB软件和ADAMS软件的程序接口，能够用MATLAB软件所开发的同步控制算法对ADAMS软件建立的多机械臂系统进行仿真控制。

在上位机通过MATLAB软件完成对ADAMS软件设计的模型的仿真之后，通过上位机将在MATLAB软件内完成的控制算法的代码下发至DSPACE平台。通过DSPACE平台可与MATLAB/SIMULINK完全无缝连接，它的实时系统拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、I/O，还拥有方便易用的实现代码生成/下载和试验/调试的软件环境。DSPACE平台系统能够接受MATLAB软件发送的控制算法代码，将之编译成ARM平台可识别的汇编语言。通过DSPACE平台将编译成汇编语言的控制算法程序下发至ARM平台。

在本发明中，ARM平台为程序的调度平台。在仿真测试开始前，ARM平台将上位机设计的同步控制算法经过处理变为控制程序分别下发至每一个分布式同步控制器。在仿真测试过程中，ARM平台负责接收机械臂内每一个角度传感器的信号，计算出每个机械臂关节的位置误差、同步误差和交叉耦合误差，并实时的将这些计算结果发送给每一个分布式同步控制器。分布式同步控制器根据同步控制算法、位置误差、同步误差和交叉耦合误差控制机械臂动作，实现机械臂系统的分布式同步控制。

每个分布式同步控制器均对应一个机械臂，并实现对其的实时控制。分布式同步控制器接收来自上级的ARM平台的同步控制算法的控制程序，对下级的每个伺服电机控制器进行控制，通过伺服控制器实现对每个伺服电机的控制。分布式同步控制器根据同步控制算法、位置误差、同步误差和交叉耦合误差实现多机械臂系统的分布式同步控制。机械臂是被控对象，在分布式同步控制器的控制下实现同步运动，在实现同步运动的过程中，安装在每个机械臂内每个伺服电机输出轴的角度传感器将测量到的角度位移信号反馈至ARM平台，由ARM平台进行进一步的处理计算。在本发明中，分布式同步控制器可通过市售常见的单片机实现。

如图3~4所示，机械臂执行单元包括底座1，在底座1上均匀设置有5个机械臂2，每个机械臂2均由一个分布式同步控制器（图中未画出）进行控制。在本发明中，机械臂2为六连杆结构，六连杆结构的底部与底座1相固定，顶部设置有机械夹手4。6个连杆3以及顶部的机械夹手4之间形成6个关节，每个关节处设置有一个伺服电机5，每个伺服电机5均由一个伺服控制器（图中未画出）进行控制。每个伺服电机5的输出轴上均安装有角度传感器，角度传感器与ARM平台相连。

如图5所示的多机械臂同步控制实验方法，包括如下步骤：

步骤1001，对机械臂进行建模；

通过安装在上位机上的ADAMS软件建立多机械臂的动力学模型；

步骤1002，对机械臂的动力学模型进行仿真；

通过安装在上位机上的ADAMS软件与MATLAB软件的程序接口，通过MATLAB软件对多机械臂的动力学模型进行仿真，并通过MATLAB软件形成同步控制算法的代码；

步骤1003，同步控制代码的转换及下发；

上位机将MATLAB软件形成的同步控制算法的代码发送至DSPACE平台，在DSPACE平台内将MATLAB软件的同步控制算法代码转换为汇编语言，并继续下发至下级的ARM平台；

步骤1004，ARM平台的调度处理；

ARM平台接收到DSPACE平台下发的汇编语言程序之后，根据其内预设的调度流程对程序进行处理下发，实现对分布式同步控制器的控制；

步骤1005，分布式同步控制器的执行；

分布式同步控制器接收到ARM平台的控制程序后，根据其内预设的执行流程实现对伺服控制器的控制；

步骤1006，机械臂的动作；

伺服控制器在分布式同步控制器的作用下实现对伺服电机动作的控制，通过伺服电机带动机械臂动作；

步骤1007，仿真测试结束；

通过机械臂的动作实现分布式同步控制的仿真。

如图6所示，上述的ARM平台的调度流程，包括如下步骤：

步骤2001，开始；

开始运行调度流程；

步骤2002，硬件初始化；

ARM平台对其内部的硬件初始化；

步骤2003，通讯协议设定并接受上级数据；

初次运行时，ARM平台首先进行通讯协议的设定，设定完成之后，ARM平台接收上级DSPACE平台下发的同步控制算法程序；

步骤2004，通讯协议协定并下发控制算法；

初次运行时，ARM平台首先进行通讯协议的设定，设定完成之后，ARM平台将接收到的同步控制算法下发至每一个分布式同步控制器；

步骤2005，接收传感器数据并进行误差计算；

测试仿真过程中，ARM平台实时接收各角度传感器的数据，并进行位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的计算；

步骤2006，误差计算结果及传感器数据的下发；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的结果以及接收到的角度传感器的数据下发至各分布式同步控制器；

步骤2007，误差计算结果的上传；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的结果上传至上位机进行显示；

步骤2008，误差绝对值是否大于阈值；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差与预设定的阈值进行比较，判断位置误差和同步误差是否同时小于预设定的阈值，如果同时小于预设定的阈值，执行步骤2009，否则执行步骤2010；

步骤2009，仿真测试成功；

同步控制算法仿真测试成功；

步骤2010，判断仿真测试时间是否大于阈值时间；

ARM平台判断已进行的仿真测试时间是否已超过预设定的仿真测试时间，如果未超过，返回步骤2005，如果已超过预设定的阈值时间，执行步骤2011；

步骤2011，停止并修改算法；

ARM平台停止继续进行仿真测试，并由测试人员修改同步控制算法。

如图7所示，上述的分布式同步控制器的执行流程，包括如下步骤：

步骤3001，开始；

开始运行调度流程；

步骤3002，硬件初始化；

每个分布式同步控制器对其内部的硬件初始化；

步骤3003，通讯协议设定并接收ARM平台数据；

初次进行通讯时，每个分布式同步控制器首先进行通讯协议的设定，然后接受由ARM平台下发的数据；

步骤3004，伺服控制器输入的计算及下发；

每个分布式同步控制器根据ARM平台下发的数据对其控制的每个伺服控制器的运行参数进行计算，并将计算出的运行参数分别下发至每个伺服控制器；

步骤3005，分布式同步控制器判断程序是否停止；

分布式同步控制器判断程序是否停止，如果已停止，执行步骤3006，如果未停止，返回步骤3003；

步骤3006，程序停止；

分布式同步控制器停止接收ARM平台的数据并停止计算伺服控制器的运行参数。

在执行步骤3003时，如果是初次进行通讯，需要进行通讯协议的设定，如果是执行完步骤3005返回执行步骤3003时，无需进行通讯协议的设定。

具体工作过程及工作原理如下：

在进行仿真测试时，首先使用安装在上位机上的ADAMS软件建立多机械臂的动力学模型，然后使用MATLAB软件对多机械臂的动力学模型进行仿真，生成同步控制算法的仿真代码并通过上位机将生成的代码下发至DSPACE平台。DSPACE平台负责代码的转换，将上位机下发的同步控制仿真代码转换成汇编语言，并将汇编语言继续下发至ARM平台。ARM平台接收到DSPACE平台下发的编译成汇编语言的同步控制算法之后，经过处理后将同步控制算法的指令分别下发至每一个分布式同步控制器。每一个分布式同步控制器对应控制一个机械臂，分布式同步控制器接收到ARM平台下发的同步控制算法的指令之后，对其控制的每个伺服控制器进行运行参数的输入，每个伺服控制器通过分布式同步控制器传输的参数控制相应的伺服电机动作，实现机械臂的同步运动。

在伺服电机的运行过程中，安装在伺服电机输出轴上的角度传感器实时的将测量到的信息反馈至ARM平台，ARM平台通过角度传感器反馈的数据进行位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的计算，然后将计算出的同步误差、位置误差、交叉耦合误差以及角度传感器反馈的数据下发至每一个分布式同步控制器，由分布式同步控制器控制继续控制伺服电机动作。同时将计算出的位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的结果上传至上位机。ARM平台同时将计算出的同步误差、位置误差与预设定阈值进行比较，当同步误差和位置误差同时小于预设定的阈值时，则表示通过上位机设定的同步控制算法仿真测试成功，如果同步误差和位置误差未同时小于预设定的阈值，且仿真测试时间未达到预设定的测试时间时，则继续进行仿真测试，如果仿真测试时间已达到预设定的测试时间，则停止继续进行仿真测试，由测试人员修改同步控制算法，继续进行下一次测试。

在本发明中，分布式同步控制器由市售常见的单片机实现，也可采用PLC实现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.多机械臂同步控制实验平台，其特征在于：包括仿真控制单元以及与仿真控制单元相连的执行单元，所述的仿真控制单元包括上位机、DSPACE平台、ARM平台以及多个分布式同步控制器，上位机与DSPACE平台相连，DSPACE平台与ARM平台相连，ARM平台同时与一个或多个分布式同步控制器相连，ARM平台同时与上位机相连，所述的执行单元为与每个分布式同步控制器相连，由分布式同步控制器控制的机械臂执行单元，机械臂执行单元同时与ARM平台相连；

所述的机械臂执行单元包括底座（1）以及固定在底座（1）上的与分布式同步控制器一一对应的多个机械臂（2）；

所述的机械臂（2）为六连杆结构，六连杆结构的底部与底座（1）相固定，顶部设置有机械夹手（4），6个连杆（3）以及顶部的机械夹手（4）之间形成的6个关节处均设置有一个伺服电机（5），每个伺服电机（5）均由一个伺服控制器进行控制，每个伺服电机（5）的输出轴上均设置有一个与ARM平台相连的角度传感器。

2.根据权利要求1所述的多机械臂同步控制实验平台，其特征在于：所述的分布式同步控制器以及机械臂（2）分别设置有5个。

3.根据权利要求1或2所述的多机械臂同步控制实验平台，其特征在于：所述的分布式同步控制器可由单片机或PLC实现。

4.多机械臂同步控制实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1001，对机械臂进行建模；

通过安装在上位机上的ADAMS软件建立多机械臂的动力学模型；

步骤1002，对机械臂的动力学模型进行仿真；

通过安装在上位机上的ADAMS软件与MATLAB软件的程序接口，通过MATLAB软件对多机械臂的动力学模型进行仿真，并通过MATLAB软件形成同步控制算法的代码；

步骤1003，同步控制代码的转换及下发；

上位机将MATLAB软件形成的同步控制算法的代码发送至DSPACE平台，在DSPACE平台内将MATLAB软件的同步控制算法代码转换为汇编语言，并继续下发至下级的ARM平台；

步骤1004，ARM平台的调度处理；

ARM平台接收到DSPACE平台下发的汇编语言程序之后，根据其内预设的调度流程对程序进行处理下发，实现对分布式同步控制器的控制；

步骤1005，分布式同步控制器的执行；

分布式同步控制器接收到ARM平台的控制程序后，根据其内预设的执行流程实现对伺服控制器的控制；

步骤1006，机械臂的动作；

伺服控制器在分布式同步控制器的作用下实现对伺服电机动作的控制，通过伺服电机带动机械臂动作；

步骤1007，仿真测试结束；

通过机械臂的动作实现分布式同步控制的仿真。

5.根据权利要求4所述的多机械臂同步控制实验方法，其特征在于：步骤1004中所述的调度流程，包括如下步骤：

步骤2001，开始；

开始运行调度流程；

步骤2002，硬件初始化；

ARM平台对其内部的硬件初始化；

步骤2003，通讯协议设定并接受上级数据；

初次运行时，ARM平台首先进行通讯协议的设定，设定完成之后，ARM平台接收上级DSPACE平台下发的同步控制算法程序；

步骤2004，通讯协议协定并下发控制算法；

初次运行时，ARM平台首先进行通讯协议的设定，设定完成之后，ARM平台将接收到的同步控制算法下发至每一个分布式同步控制器；

步骤2005，接收传感器数据并进行误差计算；

测试仿真过程中，ARM平台实时接收各角度传感器的数据，并进行位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的计算；

步骤2006，误差计算结果及传感器数据的下发；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的结果以及接收到的角度传感器的数据下发至各分布式同步控制器；

步骤2007，误差计算结果的上传；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差以及交叉耦合误差的结果上传至上位机进行显示；

步骤2008，误差绝对值是否大于阈值；

ARM平台将计算出的位置误差、同步误差与预设定阈值之进行比较，判断位置误差和同步误差是否同时小于预设定的阈值，如果同时小于预设定的阈值，执行步骤2009，否则执行步骤2010；

步骤2009，仿真测试成功；

同步控制算法仿真测试成功；

步骤2010，判断仿真测试时间是否大于阈值时间；

ARM平台判断已进行的仿真测试时间是否已超过预设定的仿真测试时间，如果未超过，返回步骤2005，如果已超过预设定的阈值时间，执行步骤2011；

步骤2011，停止并修改算法；

ARM平台停止继续进行仿真测试，并由测试人员修改同步控制算法。

6.根据权利要求4所述的多机械臂同步控制实验方法，其特征在于：步骤1005中所述的执行流程，包括如下步骤：

步骤3001，开始；

开始运行调度流程；

步骤3002，硬件初始化；

每个分布式同步控制器对其内部的硬件初始化；

步骤3003，通讯协议设定并接收ARM平台数据；

初次进行通讯时，每个分布式同步控制器首先进行通讯协议的设定，然后接受由ARM平台下发的数据；

步骤3004，伺服控制器输入的计算及下发；

每个分布式同步控制器根据ARM平台下发的数据对其控制的每个伺服控制器的运行参数进行计算，并将计算出的运行参数分别下发至每个伺服控制器；

步骤3005，分布式同步控制器判断程序是否停止；

分布式同步控制器判断程序是否停止，如果已停止，执行步骤3006，如果未停止，返回步骤3003；

步骤3006，程序停止；

分布式同步控制器停止接收ARM平台的数据并停止计算伺服控制器的运行参数。