CN110977991A - 一种飞机清洗机械臂运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机清洗机械臂运动控制方法，由人机交互的示教器将机器人当前位姿和目标位姿传输给倍福控制器，所述倍福控制器将得到的机械臂关节值和目标值通过控制器中的运动控制模块解算得到下一周期机械臂各关节运动位置数据参数，各关节运动位置数据参数再通过液压伺服系统来驱动清洗机械臂的各关节的液压缸来实现机械臂对飞机表面的清洗工作。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种飞机清洗机械臂运动控制方法。
背景技术
飞机清洗机械臂是一种集机械、电子、液压一体化的全自动飞机表面清洗机械装置，该装置共有11个自由度，其中包括1个整车自由度、7个关节回转自由度、2个由传感器控制的滚刷位姿误差自适应调节自由度以及1个滚刷回转的局部自由度，通过对11个自由度的协调控制实现机械臂对飞机表面的清洗工作。现有的飞机清洗机械臂各关节的运动控制方法中，还存在诸多问题，如机械臂执行清洗工作时末端执行器的自适应反馈问题，时间、力矩等条件下机械臂各关节的最优规划问题以及机械臂的自重导致的末端执行器的控制误差问题。因此，解决这一类的问题显得尤为重要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种飞机清洗机械臂运动控制方法，以实现机械臂按照拟定轨迹对飞机表面进行清洗工作。
为了实现上述技术方案，本发明提供了一种飞机清洗机械臂运动控制方法，由人机交互的示教器将机器人当前位姿和目标位姿传输给倍福控制器，所述倍福控制器将得到的机械臂关节值和目标值通过控制器中的运动控制模块解算得到下一周期机械臂各关节运动位置数据参数，各关节运动位置数据参数再通过液压伺服系统来驱动清洗机械臂的各关节的液压缸来实现机械臂对飞机表面的清洗工作。
进一步改进在于：所述当前位姿是机械臂当前状态下末端执行器在基座标系下的位置参数和姿态参数，所述目标位姿为用户拟定的机械臂的目标位姿参数。
进一步改进在于：所述液压缸通过缸体位移来实现机械臂关节的转动。
进一步改进在于：所述示教器与倍福控制器之间通过TCP/IP通讯协议来实现通讯，所述倍福控制器与液压伺服系统采用UDP通讯协议。
进一步改进在于：所述运动控制模块包括关节点动模块、运动学模块、机械臂展开/回收模块和轨迹规划模块，用户根据需要选择运动控制模块中不同类型的模块来实现不同的控制要求。
进一步改进在于：用户通过关节点动模块对机械臂单一关节发送转动指令，根据关节点动模块中的多项式插值算法对关节转动过程进行插值，在确保关节转动过程平稳运行的条件下使控制关节达到用户要求的角度位置。
进一步改进在于：选用运动学模块时，基于用户设定的末端执行器的目标值和机械臂各关节当前值，运动学模块通过雅各比迭代算法解算得到各关节转动角度的最优解，所求解若符合关节限位要求，则输出最优关节转动值，若不满足，则对超限的关节角度进行重新赋值，再次利用雅各比迭代算法进行优化求解，直至获得满足要求的最优解。
进一步改进在于：用户通过机械臂展开/回收模块将初始状态下的机械臂展开至工作状态，或将工作状态下的机械臂回收至初始状态，不仅简化了展开或回收机械臂的精力投入，也确保了机械臂展开与回收时的控制精度。
进一步改进在于：选用轨迹规划模块时，用户根据工况需求输入机械臂末端起止点与中间点位置参数、末端运行速度与加速度阈值以及圆弧过渡半径，来对路径类型和目标路径进行规划，基于正弦加减数算法解算得到规划路径过程中不同时间下的速度与加速度，同时，依据用户给出的圆弧过渡半径并采用相融算法在两段不同路径之间进行插值，来处理不同路径之间平滑的情况，最后，将规划得到的末端执行器的位置参数输入运动学模块得到对应各关节转动角度值；由运动控制模块求解得到的关节转动角度值均通过液压缸角度位移转换模块计算得到对应的液压缸伸展位移参数，随后将参数传至液压伺服系统并由液压伺服系统控制机械臂执行清洗工序。
进一步改进在于：所述液压缸位移转换模块是将关节转动角度通过转化公式转化为液压缸的伸展位移，从而通过液压缸实现机械臂关节转动动作。
进一步改进在于：可在机械臂末端执行器处增加力矩反馈模块以提高机械臂在清洗飞机过程中的自适应能力。
进一步改进在于：所述运动学模块采用的迭代算法存在随机性，可在算法中增加关节转动限制，优化关节执行能力
进一步改进在于：可将机械臂灵活性作为路径规划的评价参数，优化机器人的执行能力。
本发明的有益效果是：
1、可实现对机械臂关节点动、空间直线与圆弧轨迹、一键展开与回收等功能的控制；
2、确保机械臂在执行清洗工作过程中整机的平稳性；
3、机械臂在执行用户拟定轨迹时的精度保证在50mm精度以内。
附图说明
图1为本发明的控制方法流程图。
图2为本发明的运动控制模块的系统框架图。
图3为本发明的轨迹规划模块的系统框架图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1-图3所示，本实施例提供了一种飞机清洗机械臂运动控制方法，由人机交互的示教器将机器人当前位姿和目标位姿传输给倍福控制器，所述倍福控制器将得到的机械臂关节值和目标值通过控制器中的运动控制模块解算得到下一周期机械臂各关节运动位置数据参数，各关节运动位置数据参数再通过液压伺服系统来驱动清洗机械臂的各关节的液压缸来实现机械臂对飞机表面的清洗工作。
在本实施例中，所述当前位姿是机械臂当前状态下末端执行器在基座标系下的位置参数和姿态参数，所述目标位姿为用户拟定的机械臂的目标位姿参数。
在本实施例中，所述液压缸通过缸体位移来实现机械臂关节的转动。
在本实施例中，所述示教器与倍福控制器之间通过TCP/IP通讯协议来实现通讯，所述倍福控制器与液压伺服系统采用UDP通讯协议。
在本实施例中，所述运动控制模块包括关节点动模块、运动学模块、机械臂展开/回收模块和轨迹规划模块，用户根据需要选择运动控制模块中不同类型的模块来实现不同的控制要求。
在本实施例中，用户通过关节点动模块对机械臂单一关节发送转动指令，根据关节点动模块中的多项式插值算法对关节转动过程进行插值，在确保关节转动过程平稳运行的条件下使控制关节达到用户要求的角度位置。
在本实施例中，选用运动学模块时，基于用户设定的末端执行器的目标值和机械臂各关节当前值，运动学模块通过雅各比迭代算法解算得到各关节转动角度的最优解，所求解若符合关节限位要求，则输出最优关节转动值，若不满足，则对超限的关节角度进行重新赋值，再次利用雅各比迭代算法进行优化求解，直至获得满足要求的最优解。
在本实施例中，用户通过机械臂展开/回收模块将初始状态下的机械臂展开至工作状态，或将工作状态下的机械臂回收至初始状态，不仅简化了展开或回收机械臂的精力投入，也确保了机械臂展开与回收时的控制精度。
在本实施例中，选用轨迹规划模块时，用户根据工况需求输入机械臂末端起止点与中间点位置参数、末端运行速度与加速度阈值以及圆弧过渡半径，来对路径类型和目标路径进行规划，基于正弦加减数算法解算得到规划路径过程中不同时间下的速度与加速度，同时，依据用户给出的圆弧过渡半径并采用相融算法在两段不同路径之间进行插值，来处理不同路径之间平滑的情况，最后，将规划得到的末端执行器的位置参数输入运动学模块得到对应各关节转动角度值；由运动控制模块求解得到的关节转动角度值均通过液压缸角度位移转换模块计算得到对应的液压缸伸展位移参数，随后将参数传至液压伺服系统并由液压伺服系统控制机械臂执行清洗工序。
在本实施例中，所述液压缸位移转换模块是将关节转动角度通过转化公式转化为液压缸的伸展位移，从而通过液压缸实现机械臂关节转动动作。
轨迹规划模块由用户设定机械臂末端执行器初始点、中间点、终止点的位置参数、机械臂运行的速度与加速度阈值以及末端轨迹的圆弧过渡半径，实现机械臂末端执行器沿这直线或弧线执行工作轨迹，执行器初始点、中间点与终止点为机械臂运行轨迹的起止点与轨迹过渡点，机械臂运动速度与加速度阈值为执行直线轨迹或圆弧轨迹时机械臂运行达到的最大速度与加速度，圆弧过渡半径为机械臂工作过程中两段不同运行轨迹之间的过渡路径的圆弧半径。正弦加减数算法是基于正弦函数实现工作路径过程中机械臂末端速度的平稳变化，确保机械臂清洗过程的稳定性。相融算法是基于五次多项式比例系数实现不同轨迹之间的圆弧过渡，避免轨迹交替过程中机械臂出现抖动现象。
采用相融算法实现直线段轨迹和圆弧段轨迹的过渡，保证了机器人末端轨迹可同时满足直线段和圆弧段速度、位置要求；采用正弦加减数实现机器人的末端轨迹插值，保证了机器人在执行动作时各关节的平稳变化；通过提供了多个运动规划控制模块，可以满足不同工况下用户对于机械臂控制的要求；采用雅各比迭代算法解决机械臂运动学问题，使得运动学解算不再局限与机械臂关节数目，且运算精度得到了保证。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：由人机交互的示教器将机器人当前位姿和目标位姿传输给倍福控制器，所述倍福控制器将得到的机械臂关节值和目标值通过控制器中的运动控制模块解算得到下一周期机械臂各关节运动位置数据参数，各关节运动位置数据参数再通过液压伺服系统来驱动清洗机械臂的各关节的液压缸来实现机械臂对飞机表面的清洗工作。
2.根据权利要求1所述的一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：所述当前位姿是机械臂当前状态下末端执行器在基座标系下的位置参数和姿态参数，所述目标位姿为用户拟定的机械臂的目标位姿参数。
3.根据权利要求1所述的一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：所述液压缸通过缸体位移来实现机械臂关节的转动。
4.根据权利要求1所述的一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：所述示教器与倍福控制器之间通过TCP/IP通讯协议来实现通讯，所述倍福控制器与液压伺服系统采用UDP通讯协议。
5.根据权利要求1所述的一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：所述运动控制模块包括关节点动模块、运动学模块、机械臂展开/回收模块和轨迹规划模块，用户根据需要选择运动控制模块中不同类型的模块来实现不同的控制要求。
6.根据权利要求5所述的一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：用户通过关节点动模块对机械臂单一关节发送转动指令，根据关节点动模块中的多项式插值算法对关节转动过程进行插值，在确保关节转动过程平稳运行的条件下使控制关节达到用户要求的角度位置。
7.根据权利要求5所述的一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：选用运动学模块时，基于用户设定的末端执行器的目标值和机械臂各关节当前值，运动学模块通过雅各比迭代算法解算得到各关节转动角度的最优解，所求解若符合关节限位要求，则输出最优关节转动值，若不满足，则对超限的关节角度进行重新赋值，再次利用雅各比迭代算法进行优化求解，直至获得满足要求的最优解。
8.根据权利要求5所述的一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：用户通过机械臂展开/回收模块将初始状态下的机械臂展开至工作状态，或将工作状态下的机械臂回收至初始状态。
9.根据权利要求5所述的一种飞机清洗机械臂运动控制方法，其特征在于：选用轨迹规划模块时，用户根据工况需求输入机械臂末端起止点与中间点位置参数、末端运行速度与加速度阈值以及圆弧过渡半径，来对路径类型和目标路径进行规划；基于正弦加减数算法解算得到规划路径过程中不同时间下的速度与加速度，同时，依据用户给出的圆弧过渡半径并采用相融算法在两段不同路径之间进行插值，来处理不同路径之间平滑的情况，最后，将规划得到的末端执行器的位置参数输入运动学模块得到对应各关节转动角度值；由运动控制模块求解得到的关节转动角度值均通过液压缸角度位移转换模块计算得到对应的液压缸伸展位移参数，随后将参数传至液压伺服系统并由液压伺服系统控制机械臂执行清洗工序。
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