CN106003034A - 一种主从式机器人控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种主从式机器人控制系统及控制方法。所述主从式机器人控制系统包括主手机器人、控制系统、角度数据库和从手机器人；所述控制系统分别与主手机器人和角度数据库相连，所述角度数据库与从手机器人相连；所述控制系统检测主手机器人的位置变化大小，对所述主手机器人的位置变化大小进行模糊控制处理，输出从手机器人角度变化等级，通过所述角度变化等级调用角度数据库的运动指令发送给从手机器人；所述从手机器人根据所述运动指令进行运动。本发明实时性较好，无需对从手机器人进行运动学反解，避免了多解性的产生，对从手机器人的自由度个数没有限制，可以减小在空间跟随性误差。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种主从式机器人控制系统及控制方法。
背景技术
仿生机器人在很多领域已有应用，其可以代替或部分代替人去完成危险环境中的作业，或者进入人手无法达到的空间，将机器人尺寸做到足够小进入人体自然腔道(如肠道)完成手术和定点给药。仿生机器人也可以作为操作手，将仿生机器人的一端固定，那么它就变成一个具有冗余自由度的操作手，可以完成复杂的抓取动作。在狭小空间的操作，复杂环境下的避免碰操作。
在现有的技术中实现主从异构机器人的方法主要有关节角度分配一一对应形式的控制，即拾取主手机器人的各个关节的角度变化，以主手机器人的一个关节变化大小，经过比例系数映射到从手机器人的一个或多个关节以驱动电机。另外一种方法为采用雅克比算法进行控制，拾取主手机器人在三维空间内速度变化，在对从手机器人进行运动学建模，计算其雅克比矩阵，对矩阵求逆，利用瞬时的速度转化为位移，无需求机器人反解的方法。对于一一对应的主从控制方式，适用于主从同构的机器人，即结构构成具有一定的相似性，这种方法不适用于主从异构型机器人。应用在异构机器人系统内，利用主手机器人控制从手机器人，无法达到操作人员在笛卡尔空间内期望的姿态，从手机器人的运动控制毫无逻辑可言。对于雅克比控制的机器人，在控制上有一定的逻辑性，但是对从手机器人自由度以及结构上有较强的限制，通常自由度为3自由度或6自由度，其余自由度个数的从手机器人则不适用。在从手机器人机械结构上，要求三个相邻关节轴线相交于一点，或者三个相邻关节轴向相互平行，而蛇形机构多才有正交关节分布，相邻两个轴向相互垂直，求解过程中由于转角的周期性，会产生多解性，各个角度的变化范围也较大，需要对求解结果进行筛选，实时性较差，且在奇异位置时，雅克比矩阵会失效，无法进行求解，这种算法也存在较大的累计误差。
发明内容
本申请提供了一种主从式机器人控制系统及控制方法，以解决现有技术从手机器人的关节较多，反解求解过程繁琐、实时性较差，容易产生多解，且无法保证主从手机器人的跟随性的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：
一种主从式机器人控制系统，包括主手机器人、控制系统、角度数据库和从手机器人；所述控制系统分别与主手机器人和角度数据库相连，所述角度数据库与从手机器人相连；所述控制系统检测主手机器人的位置变化大小，对所述主手机器人的位置变化大小进行模糊控制处理，输出从手机器人角度变化等级，通过所述角度变化等级调用角度数据库的运动指令发送给从手机器人；所述从手机器人根据所述运动指令进行运动。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述控制系统还包括工业PC机和运动控制器，所述工业PC机与主机器人相连，用于实时检测主机器人的位置变化大小，将所述位置变化大小经过比例矩阵处理，并将送入运动控制器；所述运动控制器与工业PC机相连，所述运动控制器通过工业PC机接收主机器人的操作命令，通过控制算法对操作命令进行处理，并调用角度数据库中的运动指令发送给从手机器人。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述从手机器人包括编码器、电机以及驱动器，所述驱动器接收运动控制器发送的运动指令，并驱动电机根据所述运动指令转动特定角度，所述编码器实时记录电机转角，利用正向运动学记录当前从手机器人的实际位置，并将所述从手机器人的实时位置变化大小反馈给运动控制器，所述运动控制器将从手机器人实时位置变化大小与主手机器人的位置变化大小对比，并根据位置变化大小的差值在下一次运动中进行误差补偿。
本发明实施例采取的技术方案还包括信号转换单元，所述信号转换单元分别与工业PC机、运动驱动器及编码器相连；所述信号转换单元用于对编码器的初值进行设定以及记录。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述运动控制器为模糊控制器，所述模糊控制器还包括模糊化接口、规则表、模糊推理和清晰化接口；所述模糊化接口将量化的输入用模糊化语言表示，并进行模糊推理，利用编写好的规则表，输出角度变化等级，并经过清晰化接口转化为量化的角度变化等级。
本发明实施例采取的另一技术方案为：一种主从式机器人控制方法，包括：
步骤a：获取主手机器人的位置变化大小；
步骤b：对所述主手机器人的位置变化大小进行模糊控制处理，并输出从手机器人角度变化等级，通过所述角度变化等级调用角度数据库的运动指令发送给从手机器人；
步骤c：所述从手机器人根据所述运动指令进行运动。
本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，所述获取主手机器人的位置变化大小具体包括：经过主手机器人正运动学的计算，得到主手机器人末端在笛卡尔空间坐标系的位置变化大小，具体计算公式为：
Δem＝xi+1-xi
在上述公式中，xi为此时刻主机器人在空间实际位置，xi+1为下一次时刻采样点获取的主手机器人的空间位置，Δem为主手机器人在最小采样周期内的实际位置变化。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述步骤c后还包括：通过从手机器人的编码器计算从手机器人在调用角度下的位置变化量与理论变量即主从映射变化量做差值。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述计算从手机器人在调用角度下的位置变化量与理论变量即主从映射变化量做差值的公式为：
ΔE＝Δem-Δemm
在上述公式中，Δem为主手机器人在最小采样周期内的实际位置变化，Δemm为通过编码器实时计算的从手机器人实际位移变化量，ΔE为从手机器人的跟随性误差。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述步骤c后还包括：将上一次从手机器人编码器计算主从映射变化量的差值送入下一次控制运算，并与下一个采样点的主从映射位置信息一起输入运动控制器，在下一次运动中进行误差补偿。
本发明实施例的主从式机器人控制系统及控制方法实时性较好，无需对从手机器人进行运动学反解，避免了多解性的产生，对从手机器人的自由度个数没有限制，通过对从手机器人的误差反馈，可以减小在空间跟随性误差。当从手机器人的结构以及自由度发生改变，只需要对模糊控制进行修改，对模糊规则以及角度数据库进行修改即可，灵活性较强。
附图说明
图1是本发明实施例的主从式机器人控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的主从式机器人控制系统的主手机器人示意图；
图3是本发明实施例的主从式机器人控制系统的从手机器人示意图；
图4是本发明另一实施例的主从式机器人控制系统的结构示意图；
图5是本发明实施例的主从式机器人控制系统的运动控制器的结构示意图；
图6是本发明实施例的主从式机器人控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1是本发明实施例的主从式机器人控制系统的结构示意图。本发明实施例的主从式机器人控制系统包括主手机器人、控制系统、角度数据库和从手机器人。其中，从手机器人包括编码器。控制系统分别与主手机器人和角度数据库相连，角度数据库还与从手机器人相连。控制系统接收主手机器人的操作指令，调用角度数据库运动指令发送给从手机器人，从手机器人跟随主手机器人的运动方向，进而完成对任务对象的操作，同时从手机器人通过编码器将位置信息反馈到控制系统和/或操作人员。在本发明实施方式中，主手机器人采用Sensable Technology公司的Phantom Omni力反馈设备，主从式机器人控制系统以台式PC机为开发平台，采用上、下位机的控制方式。控制系统的上位机通过外围硬件接口和总线将主手机器人、运动控制器等联系起来。控制系统的上位机将主手机器人的操作指令传递给主控机，主控机接收主手机器人运动状态并通过控制算法对操作命令进行处理；主手机器人运动指令通过以太网卡进行发送；控制系统下位机接收主控机的控制命令，通过驱动从手机器人完成相应的动作；下位机将当前从手机器人关节编码器数值发送到主控机。
请一并参阅图2，图2是本发明实施例的主从式机器人控制系统的主手机器人示意图。本发明实施例的主从式机器人的控制系统实质是指通过操作Phantom主手机器人来控制从手机器人末端，使得从手机器人可以跟随主手机器人的运动方向。Phantom主手机器人为6R结构，基座三个关节控制腕部中心位置，执行末端3个旋转关节控制姿态。
请一并参阅图3，图3是本发明实施例的主从式机器人控制系统的从手机器人示意图。在本发明实施例的主从式机器人控制系统中，从手机器人包括编码器、电机以及驱动器，驱动器接收控制系统发送的运动指令，驱动电机转动特定角度。编码器记录电机转动角度大小送入控制系统实时计算误差。在本发明实施方式中，从手机器人采用蛇形结构，可以理解，从手机器人也可以采用其他结构。电机采用直流无刷伺服电机。
请参阅图4，图4是本发明另一实施例的主从式机器人控制系统的结构示意图。本发明实施例的主从式机器人控制系统包括主手机器人、工业PC机、运动控制器、角度数据库、从手机器人和信号转换单元。本发明实施例的主从式机器人控制系统以台式PC机为开发平台，采用上、下位机的控制方式。主机器人采用通用的力反馈设备。工业PC机通过IEEE1394接口与主机器人相连，可以理解，工业PC机与主机器人也可以采用其他方式连接。运动控制器与工业PC机相连，在本发明实施方式中，工业PC机通过网卡与运动控制器相连。运动控制器通过工业PC机接收主机器人的操作命令，通过控制算法对操作命令进行处理，并调用角度数据库中的运动指令发送给从手机器人。在本发明的实施方式中，从手机器人采用蛇形从手机器人或者非工业机器人。通过分析主手机器人和从手机器人的几何构型，设计了主从映射策略。
信号转换单元分别与工业PC机、运动驱动器、编码器相连。信号转换单元用于对编码器的初值进行设定以及记录。在本发明的实施方式中，信号转换单元通过RS232接口与工业PC机相连，信号转换单元通过RS422接口与驱动器相连。
从手机器人包括若干一一相连驱动器、电机和编码器，驱动器接收控制器发送的运动指令，发送至直流电机完成相应的动作。在本发明实施方式中，电机采用直流无刷电机。编码器实时记录电机转角，利用正向运动学记录当前从手机器人的实际位置，并将从手机器人实时位置变化大小反馈给运动控制器，运动控制器将从手机器人实时位置变化大小与主手机器人的位置变化大小对比，将位置变化大小的差值反馈给操作人员，将差值送入下一次运动中，进行补偿。
本发明实施例的主从式机器人控制系统的工作原理为：操作人员驱动主机器人，工业PC机实时检测主机器人的位置变化大小，将位置变化大小经过比例矩阵处理，送入运动控制器，运动控制器调用角度数据库信息直接驱动电机转动。编码器实时记录电机转角，利用正向运动学记录当前从手机器人的实际位置，并与主手机器人的位置变化大小对比，将差值反馈给操作人员，将误差送入下一次运动中，进行补偿。
请参阅图5，图5是本发明实施例的主从式机器人控制系统的运动控制器的结构示意图。在本发明实施例的主从式机器人控制系统中，运动控制器采用模糊控制器。模糊控制器包括模糊化接口、规则表、模糊推理和清晰化接口。在本发明实施方式中，选用二维模糊控制器，即两输入一输出。模糊化接口为将量化的输入用模糊化语言表示，之后进行模糊推理，利用之前编写好的规则表，可以输出角度的变化等级，但此时的角度等级为模糊语言，需要经过清晰化接口处理，转化为量化的角度变化等级。最后由角度变化等级直接调用角度数据库中的数值，由运动控制器发送到驱动器即可完成方向的跟随性控制。
结合表1所示，为模糊控制的规则表，其中输入为主手机器人的位置变化大小以及误差大小，输出为角度变化等级。
表1
由于从手机器人的结构为垂直分布，所以在采集主手机器人位置大小时，分别采集X、Y方向的位置变化量，反馈的误差也是分别为X、Y方向大小。如图4所示，1、3、5、7号电机控制X方向的位置，2、4、6、8号电机控制Y方向的位置。所以在控制跟随性上，先驱动从手机器人X向位置，再驱动从手机器人Y向位置。两个方向上的位置调整没有直接联系。以现有的主手机器人位置变化范围某一个方向为将-200毫米到+200毫米之间，误差为-40毫米到+40毫米之间。所以将主手机器人位置变化和误差变化均分为6个模糊等级，PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、NS(负小)、NM(负中)、NW(负大)。将输出的从手机器人变化等级分为7个模糊等级，PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、O(零)、NS(负小)、NM(负中)、NW(负大)。
结合表2所示，为模糊控制查询表，将主手机器人的位置变化10个量化等级：从-5到+5；将误差分为8个量化等级：从-4到+4。通过主手机器人位置变化大小和误差大小便可查询从手机器人角度变化等级，每一个角度变化等级对应一组8个电机角度变化值。
表2
请参阅图6，图6是本发明实施例的主从式机器人控制方法的流程图。本发明实施例的主从式机器人控制方法包括：
步骤100：获取主手机器人中主手机器人各个关节的位置变化大小；
在步骤100中，经过主手机器人正运动学的计算，可以得到主手机器人末端在笛卡尔空间坐标系的位置变化大小，具体计算公式为：Δem＝xi+1-xi，其中，xi为此时刻主机器人在空间实际位置，xi+1为下一次时刻采样点获取的主手机器人的空间位置，Δem为主手机器人在最小采样周期内的实际位置变化。
步骤200：将主手机器人位置信息经过主从映射变化，通过运动控制器处理，输出角度变化等级，调用角度数据库，驱动从手机器人的电机完成方向的跟随性控制；
在步骤200中，运动控制器采用模糊控制器。模糊控制器包括模糊化接口、规则表、模糊推理和清晰化接口。在本发明实施方式中，选用二维模糊控制器，即两输入一输出。模糊化接口为将量化的输入用模糊化语言表示，之后进行模糊推理，利用之前编写好的规则表，可以输出角度的变化等级，但此时的角度等级为模糊语言，需要经过清晰化接口处理，转化为量化的角度变化等级。最后由角度变化等级直接调用角度数据库中的数值，由运动控制器发送到驱动器即可完成方向的跟随性控制。将主手机器人位置信息经过主从映射变化，通过运动控制器处理，输出角度变化等级，调用角度数据库，驱动从手机器人的电机完成方向的跟随性控制的具体计算公式为：Δes＝k*Δem，其中，K为3*3主从映射对角系数矩阵，Δem为主手机器人在最小采样周期内的实际位置变化，Δes为经过主从映射变化后从手机器人理论上的位移大小。
步骤300：通过从手机器人的编码器计算从手机器人在调用角度下的位置变化量与理论变量即主从映射变化量做差值，即为误差。
在步骤300中，计算从手机器人在调用角度下的位置变化量与理论变量即主从映射变化量做差值的公式为：ΔE＝Δem-Δemm，其中，Δem为主手机器人在最小采样周期内的实际位置变化，Δemm为通过编码器实时计算的从手机器人实际位移变化量，ΔE为从手机器人的跟随性误差。
步骤400：将上一次从手机器人编码器计算主从映射变化量的差值送入下一次控制运算，并与下一个采样点的主从映射位置信息一起输入运动控制器，依次循环，即可减小主从位置跟随性误差。
本发明实施例的主从式机器人控制系统及方法通过分析主手机器人和从手机器人的几何构型，设计了主从运动映射策略，采用了基于模糊控制主从控制算法，通过编码器的实时反馈建立一个闭环控制系统，并对主从位置跟随性误差在一定程度上补偿。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种主从式机器人控制系统，其特征在于，包括主手机器人、控制系统、角度数据库和从手机器人；所述控制系统分别与主手机器人和角度数据库相连，所述角度数据库与从手机器人相连；所述控制系统检测主手机器人的位置变化大小，对所述主手机器人的位置变化大小进行模糊控制处理，输出从手机器人角度变化等级，通过所述角度变化等级调用角度数据库的运动指令发送给从手机器人；所述从手机器人根据所述运动指令进行运动。
2.根据权利要求1所述的主从式机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括工业PC机和运动控制器，所述工业PC机与主机器人相连，用于实时检测主机器人的位置变化大小，将所述位置变化大小经过比例矩阵处理，并将送入运动控制器；所述运动控制器与工业PC机相连，所述运动控制器通过工业PC机接收主机器人的操作命令，通过控制算法对操作命令进行处理，并调用角度数据库中的运动指令发送给从手机器人。
3.根据权利要求2所述的主从式机器人控制系统，其特征在于，所述从手机器人包括编码器、电机以及驱动器，所述驱动器接收运动控制器发送的运动指令，并驱动电机根据所述运动指令转动特定角度，所述编码器实时记录电机转角，利用正向运动学记录当前从手机器人的实际位置，并将所述从手机器人的实时位置变化大小反馈给运动控制器，所述运动控制器将从手机器人实时位置变化大小与主手机器人的位置变化大小对比，并根据位置变化大小的差值在下一次运动中进行误差补偿。
4.根据权利要求3所述的主从式机器人控制系统，其特征在于，还包括信号转换单元，所述信号转换单元分别与工业PC机、运动驱动器及编码器相连；所述信号转换单元用于对编码器的初值进行设定以及记录。
5.根据权利要求3所述的主从式机器人控制系统，其特征在于，所述运动控制器为模糊控制器，所述模糊控制器还包括模糊化接口、规则表、模糊推理和清晰化接口；所述模糊化接口将量化的输入用模糊化语言表示，并进行模糊推理，利用编写好的规则表，输出角度变化等级，并经过清晰化接口转化为量化的角度变化等级。
6.一种主从式机器人控制方法，其特征在于，包括：
步骤a：获取主手机器人的位置变化大小；
步骤b：对所述主手机器人的位置变化大小进行模糊控制处理，并输出从手机器人角度变化等级，通过所述角度变化等级调用角度数据库的运动指令发送给从手机器人；
步骤c：所述从手机器人根据所述运动指令进行运动。
7.根据权利要求6所述的主从式机器人控制方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述获取主手机器人的位置变化大小具体包括：经过主手机器人正运动学的计算，得到主手机器人末端在笛卡尔空间坐标系的位置变化大小，具体计算公式为：
Δem＝xi+1-xi
在上述公式中，xi为此时刻主机器人在空间实际位置，xi+1为下一次时刻采样点获取的主手机器人的空间位置，Δem为主手机器人在最小采样周期内的实际位置变化。
8.根据权利要求7所述的主从式机器人控制方法，其特征在于，所述步骤c后还包括：通过从手机器人的编码器计算从手机器人在调用角度下的位置变化量与理论变量即主从映射变化量做差值。
9.根据权利要求8所述的主从式机器人控制方法，其特征在于，所述计算从手机器人在调用角度下的位置变化量与理论变量即主从映射变化量做差值的公式为：
ΔE＝Δem-Δemm
在上述公式中，Δem为主手机器人在最小采样周期内的实际位置变化，Δemm为通过编码器实时计算的从手机器人实际位移变化量，ΔE为从手机器人的跟随性误差。
10.根据权利要求9所述的主从式机器人控制方法，其特征在于，所述步骤c后还包括：将上一次从手机器人编码器计算主从映射变化量的差值送入下一次控制运算，并与下一个采样点的主从映射位置信息一起输入运动控制器，在下一次运动中进行误差补偿。
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