CN103753586A - 机械臂位置粗精复合闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

发明了一种由3个滑移关节构成的机械臂位置精控制机构，该机构安装在传统机械臂末端。由于其臂杆较短，因此具有较高的定位精度。与该机构靠近末端的滑移关节固连的两个CCD相机探测被抓取物体，并计算被抓取物体相对于末端的位置误差。使用中，传统机械臂根据被抓取物体的位置调整各关节的角度，与位置精控制机构靠近末端的滑移关节固连的两个CCD相机拍摄被抓取物体的图像，并计算定位误差，位置精控制机构根据定位误差实施精确控制。本发明实现了基于立体视觉的机械臂末端位置的粗精复合闭环控制。

Description

机械臂位置粗精复合闭环控制方法

技术领域

本发明涉及一种机械臂位置粗精复合闭环控制方法。

背景技术

空间机械臂作为航天器的一种重要工具，可用于卫星的回收和维修、大型设备的组装、空间站的在轨建设、以及作为航天员出舱的辅助平台，提高安全性及舱外工作能力等。随着空间探索的不断深入，空间机械臂在未来的空间活动中将扮演更加重要的角色。由于空间机械臂的杆件较长，比如加拿大为国际空间站研制的巨型机械臂，其长度达19m；用于协助安装该巨型机械臂的小型机械臂，其杆件长度也达到15m。由于关节位于所控制杆件的始端，关节处微小的角位移误差，经杆件放大后就会造成机械臂末端较大的定位误差。以15m长的杆件为例，若关节角位移的控制误差为1o，末端的定位误差将达到0.2617m!如此巨大的定位误差，要完成精细的维修、组装和交会对接等任务显然是不可能的。

闭环反馈控制是一种很好的提高控制精度的方法，但对于传统的机械臂控制系统，由于无法直接获取末端执行器的位姿，一般是通过测量各关节角度，间接计算末端执行器的位姿，以实现反馈控制。由于反馈信息取自各个关节，而不是末端执行器，这种反馈控制实际上属于半闭环反馈控制，无法克服由于机械啮合松动等问题带来的控制误差。其实，对于传统的机械臂，即使能够直接获取末端执行器的位姿，由于存在齿隙等因素导致的机械啮合松动，实现对末端执行器的精确控制也是不可能的。因此要提高机械臂末端执行器的位姿，首先要直接获取末端执行器的位姿，其次是需要引进一种能够精确消除位姿误差的机构。

发明内容

发明了一种由3个滑移关节构成的机械臂位置精控制机构，该机构安装在传统机械臂末端。由于其臂杆较短，因此具有较高的定位精度。与该机构靠近末端的滑移关节固连的两个CCD相机探测被抓取物体，并计算被抓取物体相对于末端的位置误差。使用中，传统机械臂根据被抓取物体的位置调整各关节的角度，与位置精控制机构靠近末端的滑移关节固连的两个CCD相机拍摄被抓取物体的图像，并计算定位误差，位置精控制机构根据定位误差实施精确控制。本发明实现了基于立体视觉的机械臂末端位置的粗精复合闭环控制。

附图说明

图1是机械臂位置精控制机构外观图，图2是机械臂位置精控制机构内部结构示意图。

标号说明：1平行滑移关节，2垂直滑移关节，3末端执行器，4CCD相机，5基座，6平行滑移关节壳体，7螺杆，8垂直滑移关节壳体，9滑动块，10内螺纹杆，11电机。

具体实施方式

在传统的机械臂末端增加精控制机构之后，整个机构可分为两部分，一部分是用于实现末端位置粗控制的机械臂，即传统机械臂，称为粗控制机械臂，另一部分是位置精控制机构，用于实现末端位置精准控制。

1.位置精控制机构的组成

如图1所示，位置精控制机构由3个滑移关节组成，其中一个是平行滑移关节(1)，即伸缩杆，另外2个是结构完全一样的垂直滑移关节(2)。

如图2所示，平行滑移关节(1)的平行滑移关节壳体(6)是一个空心圆柱，一端安装电机(11)，电机(11)的轴与一根螺杆(7)连接，螺杆(7)与内螺纹杆(10)啮合，内螺纹杆(10)从平行滑移关节壳体(6)底部伸出，连接到第一个垂直滑移关节(2)的基座(5)上。

垂直滑移关节(2)的壳体(8)是一个侧面开槽的空心圆柱，圆柱一端安装电机(11)，电机(11)的轴与螺杆(7)连接，螺杆(7)的另一端插入安装在垂直滑移关节壳体(8)另一端底面上的轴承内。滑动块(9)由两个相交成90°的圆柱构成，其中一个圆柱带内螺纹，并与螺杆(7)啮合，另一实心圆柱伸出垂直滑移关节壳体(8)，连接到第二个垂直滑移关节(2)的基座(5)上。第二个垂直滑移关节(2)的滑动块(9)上的实心圆柱与末端执行器(3)连接。

电机(11)可以正反两个方向旋转。

两个CCD相机(4)安装在位置精控制机构靠近末端的垂直滑移关节(2)的壳体(8)上，它们的光轴与末端执行器(3)的对称轴平行。

2.位置精控制机构坐标系及被抓取物体的质心的坐标

以两个CCD相机(4)的公共相平面与末端执行器(3)的对称轴的交点为原点，以两个CCD相机(4)的光轴与公共相平面的交点的连线为x轴(正向为右)，以公共相平面内经过原点并与x轴垂直的向上方向为y轴，以末端执行器(3)的对称轴为z轴建立测量坐标系。两个CCD相机的相面坐标系的横轴和纵轴分别与x轴和y轴平行，原点位于光轴与相平面的交点。

以f表示两个探测器的焦距，l表示两个探测器的像素长度。设被抓取物体的质心A在测量坐标系中的坐标为A(x，y,z)，在两个相面坐标系中的坐标分别为A(m₁，n₁)和A(m₂，n₂)，其中|m_i|，|n_i|(i=1，2)分别为横、纵方向上的像素个数，则由小孔成像原理知

$x=\frac{m_1+m_2}{m_1-m_2}d,y=\frac{2n_1}{m_1-m_2}d,z=\frac{2f}{l(m_1-m_2)}d$

3.位置精控制机构的工作原理

在位置精控制机构中，平行滑移关节(1)的初始位置为内螺杆(10)处于缩回状态，两个垂直滑移关节(2)的初始位置为滑动块(9)处于螺杆的中间位置。当粗控制的机械臂依据被抓取物体的位置完成各个关节角的位移之后，位置精控制机构上的两个CCD相机拍摄被抓取物体的图像，并按照上述公式计算被抓取物体的质心在测量坐标系中的坐标(x，y，z)(度量单位为mm)。假定3个滑移关节中螺杆的螺距都是L(mm)，则末端一个垂直滑移关节(2)需要转动的角度为

另一个垂直滑移关节(2)需要转动的角度为

平行滑移关节(1)需要转动的角度为

角度为正数表示电机正转，角度为负数表示电机反转。

Claims (3)

1.一种机械臂位置粗精复合闭环控制方法，其特征在于：在传统的机械臂末端加装了位置精控制机构，该机构由3个滑移关节组成，其中一个是平行滑移关节(1)，即伸缩杆，另外2个是结构完全一样的垂直滑移关节(2)；平行滑移关节(1)的壳体(6)是一个空心圆柱，一端安装电机(11)，电机(11)的轴与一根螺杆(7)连接，螺杆(7)与内螺纹杆(10)啮合，内螺纹杆(10)从平行滑移关节壳体(6)底部伸出，连接到第一个垂直滑移关节(2)的基座(5)上；垂直滑移关节(2)的壳体(8)是一个侧面开槽的空心圆柱，圆柱一端安装电机(11)，电机(11)的轴与螺杆(7)连接，螺杆(7)的另一端插入安装在垂直滑移关节壳体(8)另一端底面上的轴承内，滑动块(9)由两个相交成90°的圆柱构成，其中一个圆柱带内螺纹，并与螺杆(7)啮合，另一实心圆柱伸出垂直滑移关节壳体(8)，连接到第二个垂直滑移关节(2)的基座(5)上；第二个垂直滑移关节(2)的滑动块(9)上的实心圆柱与末端执行器(3)连接；电机(11)可以正反两个方向旋转；两个CCD相机(4)安装在位置精控制机构靠近末端的垂直滑移关节(2)的壳体(8)上，它们的光轴与末端执行器(3)的对称轴平行。

2.根据权利要求1所述的位置精控制机构，其特征在于以两个CCD相机(4)的公共相平面与末端执行器(3)的对称轴的交点为原点，以两个CCD相机(4)的光轴与公共相平面的交点的连线为x轴(正向为右)，以公共相平面内经过原点并与x轴垂直的向上方向为y轴，以末端执行器(3)的对称轴为z轴建立测量坐标系；两个CCD相机的相面坐标系的横轴和纵轴分别与x轴和y轴平行，原点位于光轴与相平面的交点；以f表示两个探测器的焦距，l表示两个探测器的像素长度。设被抓取物体的质心A在测量坐标系中的坐标为A(x，y，z)，在两个相面坐标系中的坐标分别为A(m₁，n₁)和A(m₂，n₂)，其中|m_i|，|n_i|(i=1，2)分别为横、纵方向上的像素个数，则由小孔成像原理知

$x=\frac{m_1+m_2}{m_1-m_2}d,y=\frac{2n_1}{m_1-m_2}d,z=\frac{2f}{l(m_1-m_2)}d$

3.根据权利要求1所述的机械臂位置粗精复合闭环控制方法，其特征在于在位置精控制机构中，平行滑移关节(1)的初始位置为内螺杆(10)处于缩回状态，两个垂直滑移关节(2)的初始位置为滑动块(9)处于螺杆的中间位置；当粗控制的机械臂依据被抓取物体的位置完成各个关节角的位移之后，位置精控制机构上的两个CCD相机拍摄被抓取物体的图像，并按照上述公式计算被抓取物体的质心在测量坐标系中的坐标(x，y，z)(度量单位为mm)；假定3个滑移关节中螺杆的螺距都是L(mm)，则末端一个垂直滑移关节(2)需要转动的角度为

另一个垂直滑移关节(2)需要转动的角度为平行滑移关节(1)需要转动的角度为

角度为正数表示电机正转，角度为负数表示电机反转。

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