CN107505835A - 一种控制机械手运动的方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制机械手运动的方法，通过加入鲁棒算法的滑模控制器将跟踪信号加载到机械手的跟踪信号，并对机械手的运动速度和位置误差进行调整，在进一步通过自适应算法进行反馈处理，自动调整机械手运动参数和边界条件，使得机械手的运动轨迹在极短的时间内和理想运动轨迹重合，且不会出现运动轨迹突然抖震的情况，提高了机械手控制系统的稳定性，有利于对机械手运动过程更好的控制，提高了机械手进行作业时的准确度和完成作业的能力，本发明还提供一种控制机械手运动的装置及系统，具有上述有益效果。

Description

一种控制机械手运动的方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及机械手控制技术领域，特别是涉及一种控制机械手运动的方法、装置及系统。

背景技术

随着智能化技术越来越普及人们的生活，各类机器人的研究也一直是智能化技术关注的重点之一，机械人的应用也越来越广泛。机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。

在机械手的运动研究中，机械手的运动的灵活度以及手控制的状态一直是比较关键的问题，这直接影响到机械手在作业过程中的准确度和完成作业的能力。目前，在机械手控制运动的过程中，机械手经常会出现突然的振动以及运动轨迹突然的跳动，这都是由于对机械手控制不稳定造成的，如何稳定的控制机械手的运动时目前亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制机械手运动的方法，解决了机械手控制系统不稳定的问题，提高了机械手完成作业任务的能力和准确度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种控制机械手运动的方法，包括：

接收输入的机械手的跟踪信号；通过加入鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对所述机械手进行速度和位置误差的调整；通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整所述机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件；输出所述机械手的运动轨迹。

其中，所述通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对机械手进行速度和位置误差的调整包括：

加入鲁棒算法的所述滑模控制器对所述机械手的控制率为其中，在未加入鲁棒算法之前，所述机械手的二自由度运动学方程为：-Wsgn(s)为鲁棒项，q_r为中间变量，q表示所述机械手运动位移，表示所述机械手速度，表示所述机械手加速度，s表示所述机械手运动的平面，D(q)表示惯量矩阵，代表离心力和哥氏力，而G(q)表示重力项，τ＝[τ₁τ₂]^T表示输入的驱动力矩向量，分别是D(q)、G(q)的估计值。

其中，所述通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整机械手运动的参数和边界条件包括：

在加入鲁棒算法的基础上加入自适应算法，对所述机械手的控制率为其中-K_Es为自适应项。

其中，所述输出所述机械手的运动轨迹包括：

所述机械手在所述跟踪信号所在的平面上运动，且机械手运动所在平面的滑模函数为其中，为q的跟踪误差值，Λ＝diag(λ₁,λ₂)为常数项，λ_i＞0，i＝1,2。

其中，在输出所述机械手的运动轨迹之后还包括：

对所述机械手的运动轨迹进行检测，判断所述机械手的运动轨迹是否与理想的运动轨迹重合。

本发明还提供了一种控制机械手运动的装置，包括：

接收信号模块，用于接收输入的机械手的跟踪信号；

鲁棒算法模块，用于通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对机械手进行速度和位置误差的调整；

自适应算法模块，用于通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件；

输出模块，用于输出所述机械手的运动轨迹。

其中，所述鲁棒算法模块用于加入鲁棒算法的滑模控制器对所述机械手的控制率为其中，在未加入鲁棒算法之前，机械手的二自由度运动学方程为：-W sgn(s)为鲁棒项，q_r表示中间变量，q表示所述机械手运动位移，表示所述机械手速度，表示所述机械手加速度，s表示所述机械手运动的平面，D(q)表示惯量矩阵，代表离心力和哥氏力，而G(q)表示重力项，τ＝[τ₁τ₂]^T表示输入的驱动力矩向量，分别是D(q)、G(q)的估计值。

其中，所述自适应算法模块用于在加入鲁棒算法的基础上加入自适应算法，对所述机械手的控制率为其中-K_Es为自适应项。

其中，还包括检测模块，用于在输出所述机械手的运动轨迹之后，对所述机械手的运动轨迹进行检测，判断所述机械手的运动轨迹是否与理想的运动轨迹重合。

本发明还提供了一种控制机械手运动的系统，包括：滑模控制器和机械手；

其中，所述滑模控制器和所述机械手相连接，用于接收输入的机械手的跟踪信号；通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对所述机械手进行速度和位置误差的调整；通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整所述机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件；输出所述机械手的运动轨迹。

本发明所提供的控制机械手运动的方法，通过在机械手的滑模控制器中加入鲁棒算法用以控制机械手突然发生抖动的状况，并且同时采用自适应算法，对跟踪信号进行反馈处理，并自动调整机械手的运动参数和边界条件，从而实现机械手良好的速度和位置的跟踪效果，且两种跟踪控制算法结合能够使得系统控制机械手的运动轨迹快速收敛，最终使得机械手的运动轨迹和理想运动轨迹重合，以满足实际作业过程中的需要，提高了机械手在进行作业时效率和准确度，进而提高了机械手的作业能力，有利于机械手应用的推广。

本发明还提供了一种控制机械手运动的装置和系统，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的控制机械手运动一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明控制机械手运动的一种具体实施例方式的示意图；

图3为本发明检测机械手运动的速度跟踪图；

图4为本发明检测机械手运动的位置跟踪图；

图5为本发明实施例提供的控制机械手运动的装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的控制机械手运动一种具体实施方式的流程图如图1所示，该方法可以包括：

步骤S101：接收输入的机械手的跟踪信号。

跟踪信号是根据机械手需要运动跟踪的轨迹或者要完成的作业而设定的，如果机械手控制状态良好，则机械手的运动轨迹能够和跟踪信号设定的轨迹完全重合。

步骤S102：通过加入鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对所述机械手进行速度和位置误差的调整。

加入鲁棒算法，可以使滑模算法趋于稳定，控制系统抖震。

步骤S103：通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整所述机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件。

加入自适应算法，可以根据机械手运动学方程特点，自动调整机械手运动参数和边界条件，使机械手的运动轨迹能够更快速的和理想运动轨迹重合。

需要说明的是，机械手的运动轨迹达到预设条件，是指在误差允许范围内，机械手的运动轨迹和理想运动轨迹重合。

步骤S104：输出所述机械手的运动轨迹。

结合上述实施例，参考图2，图2为本发明控制机械手运动的一种具体实施方式示意图。对于上述实施例在一种具体应用场景中，如图2所示，跟踪信号从输入端输入后，通过加入鲁棒算法的控制器加载到机械手，并对机械手运动轨迹加以控制，防止机械手运动过程中发生抖震，同时通过自适应算法进行反馈调节，最终控制机械手的运动轨迹达到预设条件，从输出端输出。

基于上述实施例，本发明中另一具体实施例中，可以对所述通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对机械手进行速度和位置误差的调整进一步限定，包括：

加入鲁棒算法的所述滑模控制器对所述机械手的控制率为其中，在未加入鲁棒算法之前，所述机械手的二自由度运动学方程为：-Wsgn(s)为鲁棒项，q_r为中间变量，q表示所述机械手运动位移，表示所述机械手速度，表示所述机械手加速度，s表示所述机械手运动的平面，D(q)表示惯量矩阵，代表离心力和哥氏力，而G(q)表示重力项，τ＝[τ₁τ₂]^T表示输入的驱动力矩向量，分别是D(q)、G(q)的估计值。

基于上述实施例，本发明中另一具体实施例中，对通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整机械手运动的参数和边界条件可以进一步改进，包括：

在加入鲁棒算法的基础上加入自适应算法，对所述机械手的控制率为其中-K_Es为自适应项。

需要说明的是，加入鲁棒算法和自适应算法后的控制率方程中，均为以机械手实际运动轨迹的位移q为自变量的函数，在实际情况下，机械手的运动轨迹的位移q需要给定的跟踪信号的位移q_d，为此我们引进中间变量q_r。在输入跟踪信号后，取跟踪误差其中，Λ＝diag(λ₁,λ₂)为常数项，λ_i＞0，i＝1,2，为跟踪误差值，当机械手的运动轨迹达到理想状态，跟踪误差为0，q_r、q_d、以及q的值均相等。

为了验证加入鲁棒算法和自适应算法后控制系统更为稳定，可以设计Lyapunov函数为其中Γ＝diag(γ₁,γ₂,γ₃,γ₄)为常数项，γ_i＞0,i＝1,2,3,4，取a＝[α β ε η]^T，为a的估计值，取由于a是常数向量，所以求导后，将加入鲁棒算法和自适应算法之后的控制率代入Lyapunov函数，进行验证。

为了计算方便，先以加入自适应算法后的控制系统稳定性进行验证，所以有：

将自适应控制率式代入上式，有

又根据式有

其中，θ为D(q)、G(q)的定常系数，均为关于q,的函数。

则

所以设计自适应律为则可以保证即系统稳定。

加入自适应算法的自适应控制器为：

K_E＝diag(k_e1,k_e2)为自适应系数,k_ei＞0,i＝1,2

分别是D(q)、G(q)的估计值。

对于只加入鲁棒算法的控制系统可以通过相同的方式代入Lyapunov函数，也能证明系统稳定，在此不再赘述。

对于同时加入鲁棒算法和自适应算法的控制系统，鲁棒自适应控制率为：其中，W＝diag(ω₁,…,ω_n)为鲁棒系数，采用相同的运算方法，将其代入Lyapunov函数可得：即系统稳定。

基于上述实施例，本发明的另一具体实施例中，对输出所述机械手的运动轨迹可以进一步改进，包括：

所述机械手在所述跟踪信号所在的平面上运动，且机械手运动所在平面的滑模函数为其中，为q的跟踪误差值，Λ＝diag(λ₁,λ₂)为常数项，λ_i＞0，i＝1,2。

通过自适应项限制机械手的运动参数和边界条件，通过鲁棒项消除系统逼近误差时造成的影响，保证了系统的稳定性，使机械手在滑模平面运动。

基于上述任意实施例，为了进一步检测对机械手运动的控制状况，可以机械手的运动轨迹与理想轨迹对比。

本发明中的另一具体实施例中，在输出所述机械手的运动轨迹之后还包括：

对所述机械手的运动轨迹进行检测，判断所述机械手的运动轨迹是否与理想的运动轨迹重合。

具体检测可以通过simulink仿真进行，可参考图3和图4，图3为本发明检测机械手运动的速度跟踪图，图4为本发明检测机械手运动的位置跟踪图。

通过给定两关节输入值，指令分别为q_d1＝sin(2πt)和q_d2＝sin(2πt)，因为机械手的运动是二自由度的运动，所以输入两个运动方向不同跟踪信号，鲁棒自适应控制率公式为：取

仿真结果如图2、图3所示，通过仿真结果分析，在0.5秒左右系统达到稳定，实现良好的速度和位置的跟踪效果，由此我们可以得出，通过给定输入，该加入自适应算法和鲁棒算法能够使系统轨迹快速收敛，并且跟踪性能也比较好，且具有较强的鲁棒性，最终能够使得机械手的轨迹运动满足实际的需要。

下面对本发明实施例提供的控制机械手运动的装置进行介绍，下文描述的控制机械手运动的装置与上文描述的控制机械手运动的方法可相互对应参照。

图5为本发明实施例提供的控制机械手运动的装置的结构框图，参照图5控制机械手运动的装置可以包括：

接收信号模块100，用于接收输入的机械手的跟踪信号；

鲁棒算法模块200，用于通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对机械手进行速度和位置误差的调整；

自适应算法模块300，用于通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件；

输出模块400，用于输出所述机械手的运动轨迹。

优选的，所述鲁棒算法模块200，用于加入鲁棒算法的滑模控制器对所述机械手的控制率为其中，在未加入鲁棒算法之前，机械手的二自由度运动学方程为：-Wsgn(s)为鲁棒项，q_r为中间变量，q表示所述机械手运动位移，表示所述机械手速度，表示所述机械手加速度，s表示所述机械手运动的平面，D(q)表示惯量矩阵，代表离心力和哥氏力，而G(q)表示重力项，τ＝[τ₁ τ₂]^T表示输入的驱动力矩向量，分别是D(q)、G(q)的估计值。

优选的，所述自适应算法模块300，用于在加入鲁棒算法的基础上加入自适应算法，对所述机械手的控制率为其中-K_Es为自适应项。

作为一种具体实施方式，本发明所提供的控制机械手运动的装置还可以进一步包括：

检测模块，用于在输出所述机械手的运动轨迹之后，对所述机械手的运动轨迹进行检测，判断所述机械手的运动轨迹是否与理想的运动轨迹重合。

本实施例的控制机械手运动的装置用于实现前述的控制机械手运动的方法，因此控制机械手运动的装置中的具体实施方式可见前文中的控制机械手运动的方法的实施例部分，例如，接收信号模块100，鲁棒算法模块200，自适应算法模块300，输出模块400，分别用于实现上述控制机械手运动的方法中步骤S101，S102，S103和S104，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

本发明还提供一种控制机械手运动的系统，包括：滑模控制器和机械手；

其中，所述滑模控制器和所述机械手相连接，用于接收输入的机械手的跟踪信号；通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对所述机械手进行速度和位置误差的调整；通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整所述机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件；输出所述机械手的运动轨迹。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的控制机械手运动的方法、装置及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种控制机械手运动的方法，其特征在于，包括：

接收输入的机械手的跟踪信号；

通过加入鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对所述机械手进行速度和位置误差的调整；

通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整所述机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件；

输出所述机械手的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对所述机械手进行速度和位置误差的调整包括：

加入鲁棒算法的所述滑模控制器对所述机械手的控制率为其中，在未加入鲁棒算法之前，所述机械手的二自由度运动学方程为：-Wsgn(s)为鲁棒项，q_r为中间变量，q为所述机械手的运动位移，为所述机械手的速度，为所述机械手的加速度，s为所述机械手运动的平面，D(q)为惯量矩阵，为离心力和哥氏力，G(q)为重力项，τ＝[τ₁ τ₂]^T为输入的驱动力矩向量，分别为D(q)、G(q)的估计值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整所述机械手运动的参数和边界条件包括：

在加入鲁棒算法的基础上加入自适应算法，对所述机械手的控制率为

其中，-K_Es为自适应项。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述输出所述机械手的运动轨迹包括：

所述机械手在所述跟踪信号所在的平面上运动，且机械手运动所在平面的滑模函数为其中，为q的跟踪误差值，Λ＝diag(λ₁,λ₂)为常数项，λ_i＞0，i＝1,2。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，在输出所述机械手的运动轨迹之后还包括：

对所述机械手的运动轨迹进行检测，判断所述机械手的运动轨迹是否与理想的运动轨迹重合。

6.一种控制机械手运动的装置，其特征在于，包括：

接收信号模块，用于接收输入的机械手的跟踪信号；

鲁棒算法模块，用于通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对机械手进行速度和位置误差的调整；

自适应算法模块，用于通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件；

输出模块，用于输出所述机械手的运动轨迹。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述鲁棒算法模块用于加入鲁棒算法的滑模控制器对所述机械手的控制率为其中，在未加入鲁棒算法之前，机械手的二自由度运动学方程为：-Wsgn(s)为鲁棒项，q_r为中间变量，q为所述机械手的运动位移，为所述机械手的速度，为所述机械手的加速度，s为所述机械手的滑模面，D(q)为惯量矩阵，为离心力和哥氏力，G(q)为重力项，τ＝[τ₁ τ₂]^T为输入的驱动力矩向量，分别为D(q)、G(q)的估计值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述自适应算法模块用于在加入鲁棒算法的基础上加入自适应算法，对所述机械手的控制率为其中-K_Es为自适应项。

9.根据权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，还包括检测模块，用于在输出所述机械手的运动轨迹之后，对所述机械手的运动轨迹进行检测，判断所述机械手的运动轨迹是否与理想的运动轨迹重合。

10.一种控制机械手运动的系统，其特征在于，包括：滑模控制器和机械手；

其中，所述滑模控制器和所述机械手相连接，用于接收输入的机械手的跟踪信号；通过加入有鲁棒算法的滑模控制器将所述跟踪信号加载到所述机械手，并对所述机械手进行速度和位置误差的调整；通过加入自适应算法的反馈处理，自动调整所述机械手运动的参数和边界条件，使得所述机械手的运动轨迹达到预设条件；输出所述机械手的运动轨迹。