CN111360811B - 一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法，包括以下步骤：初始化倒立摆参考输入；将参考输入与采集数据比较，分别计算控制误差，包括：水平运动位置误差、速度误差、旋转角度误差及角速度的误差；根据控制误差，利用倒立摆控制算法计算机器人期望控制量；根据期望控制量，利用机器人控制算法得到驱动机器人运动所需的控制量，将该控制量发送至机器人；采集倒立摆运动状态并反馈至采集数据中，倒立摆运动状态包括水平运动位置与速度、旋转角度与角速度，实现倒立摆的闭环控制。本发明能够满足高校在机器人、自动控制等相关学科方向的教学实验需求，能够帮助学生将所学到的专业知识应用到具体的工程项目中。

Description

一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法
技术领域
本发明涉及机器人、自动控制及相关教学等领域。具体的说是一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法。
背景技术
倒立摆系统广泛应用于军工、航天、行走机器人等领域。而串联机器人又在工业生产、科学研究甚至人民生活中起着重要作用。急需高校培养大量专业技术人员，对高校在相关领域的教学提出了更高的要求。因此，高校对相关领域的教学设备需求巨大。目前将机器人与倒立摆结合的教学设备较为缺乏。机器人与倒立摆结合的教学系统能够更加全面的培养学生的能力，同时也能促进多个技术领域的融合。
发明内容
本发明目的是提供一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法，用于满足高校对机器人及自动控制等相关学科的教学需求。如：机器人运动学、机器人轨迹规划、倒立摆控制等算法的教学与实验。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于串联机器人的倒立摆教学系统控制方法，包括以下步骤：
初始化倒立摆参考输入：水平运动位置与速度、旋转角度与角速度；
将参考输入与采集数据比较，分别计算控制误差，包括：水平运动位置误差、速度误差、旋转角度误差及角速度的误差；
根据控制误差，利用倒立摆控制算法得到机器人末端期望控制量；
根据期望控制量，利用机器人控制算法得到驱动机器人运动所需的控制量，将该控制量发送至机器人；采集倒立摆运动状态并反馈至采集数据中，倒立摆运动状态包括水平运动位置与速度、旋转角度与角速度，实现倒立摆的闭环控制。
所述机器人控制算法包括以下步骤：
对期望控制量即机器人末端加速度进行插补和积分，从而获取机器人末端期望位置偏移量，再利用逆运动学，求解每个关节的控制量，进而驱动机器人实现期望的运动。
所述机器人控制算法的控制周期与倒立摆控制算法的控制周期不同。
所述机器人控制算法的控制周期与倒立摆控制算法的控制周期满足如下关系：
Ti＝c·Tr
其中：Ti为倒立摆控制周期；Tr为机器人控制周期；c为大于0的整数。
一种基于串联机器人的倒立摆教学系统，包括旋转角采集设备、摆杆、机器人与旋转角采集设备连接装置、旋转角采集设备与摆杆连接装置；
所述机器人与旋转角采集设备连接装置将旋转角采集设备固定于机器人末端法兰上，用于调节旋转角采集设备与法兰的距离及倾角；
所述旋转角采集设备与摆杆连接装置将旋转角采集设备与摆杆末端连接，用于保证旋转采集设备与摆杆同轴旋转，且在非旋转方向上具有弹性。
所述机器人与旋转角采集设备连接装置采用金属连接件将旋转角采集设备连接到机器人法兰；该金属连接件两端具有固定机器人法兰和旋转角采集设备的卡槽，中间具有调整两端卡槽的距离和倾角的旋钮。
所述旋转角采集设备与摆杆连接装置为圆柱体形状，两端分别具有固定旋转角采集设备和摆杆的孔位，中间为非旋转方向的弹性结构。
所述旋转角采集设备的旋转轴与摆杆同轴，且非旋转方向具有弹性。
所述旋转角采集设备为编码器。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明提供了一种安装简单、操作方便、价格低廉的教学系统。能够满足高校在机器人、自动控制等相关学科方向的教学实验需求，能够帮助学生将所学到的专业知识应用到具体的工程项目中。通过理论与实践结合的实验课程提升学生的专业素质能力。
2.本发明将机器人倒立摆控制算法拆分成机器人控制算法和倒立摆控制算法，且二者之间不存在耦合关系，可以分别进行设计。
3.本发明通过引人周期控制参数，允许机器人控制算法和倒立摆控制算法采用不同的控制周期，能够显著增强控制系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明一种基于串联机器人的倒立摆装置教学系统示意图。
其中1-串联机器人；2-机器人法兰盘；3-旋转角采集设备；4-摆杆；5-机器人与旋转角采集设备连接装置；6-旋转角采集设备与摆杆连接装置；7-机器人及倒立摆控制处理器；8-机器人控制数据传输线；9-数据采集传输线；10-算法开发平台；11-网线(或无线)。
图2为本发明基于串联机器人的倒立摆教学系统控制流程。
图3为本发明基于串联机器人的倒立摆教学系统的机器人控制算法流程图。
图4为倒立摆控制周期与机器人控制周期的关系示意图。其中μ倒立摆的期望控制量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种基于串联机器人的倒立摆装置教学系统包括一个串联机器人、旋转角采集设备、摆杆、机器人与旋转角采集设备连接装置、旋转角采集设备与摆杆连接装置、机器人及倒立摆控制处理器、算法开发平台。其中串联机器人和机器人及倒立摆控制处理器组成机器人系统，旋转角采集设备、摆杆、机器人与旋转角采集设备连接装置、旋转角采集设备与摆杆连接装置组成倒立摆系统。
串联机器人用于带动倒立摆系统在工作空间中进行线性运动，以维持倒立摆系统的平衡。旋转角采集设备用于采集摆杆的偏转角度，并将偏转角度数据传输至机器人及倒立摆控制处理器。机器人及倒立摆控制处理器用于根据摆杆的偏角状态计算期望的机器人控制量。负责控制算法的运行。机器人与旋转角采集设备连接装置将旋转角采集设备固定在机器人末端法兰上，并用于调节二者距离及倾角。旋转角采集设备与摆杆连接装置用于连接旋转角采集设备与摆杆，并在非旋转方向上具有一定弹性。
算法开发平台用于机器人运动控制算法开发和倒立摆控制算法开发，并通过有线或无线远程部署的机器人及倒立摆控制处理器中，同时在系统运行过程中进行运行状态的监控与显示。
一种基于串联机器人的倒立摆教学系统控制方法包括机器人控制部分和倒立摆控制部分。机器人控制部分用于实现机器人运动控制；倒立摆控制部分用于维持倒立摆的平衡状态。
为了保证机器人运动的平滑化，需要对倒立摆的期望输入进行插补。倒立摆控制周期与机器人控制周期的关系示意图，如图4所示。
图1为本发明所采用的基于串联机器人的倒立摆装置教学系统示意图，包括机器人；一个串联机器人、旋转角采集设备、摆杆、机器人与旋转角采集设备连接装置、旋转角采集设备与摆杆连接装置、机器人及倒立摆控制处理器、算法开发平台。其中串联机器人和机器人及倒立摆控制处理器组成机器人系统，旋转角采集设备、摆杆、机器人与旋转角采集设备连接装置、旋转角采集设备与摆杆连接装置组成倒立摆系统。
其中串联机器人用于带动倒立摆系统在工作空间中进行线性运动，以维持倒立摆系统的平衡。旋转角采集设备用于采集摆杆的偏转角度，并将偏转角度数据传输至机器人及倒立摆控制处理器。机器人及倒立摆控制处理器用于根据摆杆的偏角状态计算期望的机器人控制量。负责控制算法的运行。机器人与旋转角采集设备连接装置将旋转角采集设备固定在机器人末端法兰上，并用于调节二者距离及倾角。旋转角采集设备与摆杆连接装置用于连接旋转角采集设备与摆杆，并在非旋转方向上具有一定弹性。算法开发平台由于机器人运动控制算法开发和倒立摆控制算法开发，并通过有线或无限远程部署的机器人及倒立摆控制处理器中，同时在系统运行过程中进行运行状态的监控与显示。
如图2所示，基于串联机器人的倒立摆教学系统控制流程如下：
1)、利用算法开发平台进行机器人控制算法和倒立摆控制算法的开发，并部署至机器人及倒立摆控制处理器。
2)、控制参数初始化，倒立摆参考状态输入，包括：机器人末端水平运动位置与机器人末端速度、摆杆旋转角度与摆杆角速度。
3)、参考输入与采集数据比较，计算控制误差，即：机器人末端水平运动位置、机器人末端速度、摆杆旋转角度及摆杆角速度的误差。
4)、根据上述计算误差，利用倒立摆控制算法计算机器人期望控制量。将控制误差输入至线性二型最优控制方法得到机器人末端期望控制力。控制率为：
μ＝Kz
其中K为线性最优反馈增益矩阵，是现有技术；μ为期望的控制力；
Figure BDA0001921763510000051
为控制变量；x，
Figure BDA0001921763510000052
θ，
Figure BDA0001921763510000053
分别为机器人末端水平运动位置、机器人末端速度、摆杆旋转角度及摆杆角速度；xr，
Figure BDA0001921763510000054
θr，
Figure BDA0001921763510000055
分别为参考输入，即机器人末端水平运动位置、机器人末端速度、摆杆旋转角度及摆杆角速度。
为了驱动机器人运动，需要将期望的控制力矩转换成期望的加速度
Figure BDA0001921763510000056
转换表达式为：
Figure BDA0001921763510000057
其中，m为倒立摆系统的质量；μ为期望的控制力；
Figure BDA0001921763510000058
为期望的控制加速度。
5)、根据上述倒立摆的期望控制加速度，利用机器人控制算法计算驱动机器人运动所需的控制量。首先对机器人末端加速度即倒立摆加速度控制量进行插补和积分，从而获取机器人末端位置偏移量，再利用机器人逆运动学模型计算，获取机器人每个关节的控制量，进而驱动机器人实现期望的运动。算法流程如图3所示。
6)、采集倒立摆运动状态并反馈至3)中，倒立摆运动状态包括平运动位置与速度、旋转角度与角速度。
基于串联机器人的倒立摆教学系统的机器人控制算法采用了与倒立摆控制算法不同的控制周期。确保二者控制周期满足如下关系：
Ti＝c·Tr
其中：Ti为倒立摆控制周期；Tr为机器人控制周期；c为大于0的整数。
为了保证机器人运动的平滑化，需要对倒立摆的期望输入进行插补。倒立摆控制周期与机器人控制周期的关系示意图，如图4所示，t表示时间，μ表示倒立摆期望控制量。

Claims (3)

1.一种基于串联机器人的倒立摆教学系统，采用方法为：包括以下步骤：
初始化倒立摆参考输入：水平运动位置与速度、旋转角度与角速度；
将参考输入与采集数据比较，分别计算控制误差，包括：水平运动位置误差、速度误差、旋转角度误差及角速度的误差；
根据控制误差，利用倒立摆控制算法得到机器人末端期望控制量；
根据期望控制量，利用机器人控制算法得到驱动机器人运动所需的控制量，将该控制量发送至机器人；采集倒立摆运动状态并反馈至采集数据中，倒立摆运动状态包括水平运动位置与速度、旋转角度与角速度，实现倒立摆的闭环控制；
所述机器人控制算法包括以下步骤：
对期望控制量即机器人末端加速度进行插补和积分，从而获取机器人末端期望位置偏移量，再利用逆运动学，求解每个关节的控制量，进而驱动机器人实现期望的运动；
所述机器人控制算法的控制周期与倒立摆控制算法的控制周期不同；
其特征在于，包括旋转角采集设备、摆杆、机器人与旋转角采集设备连接装置、旋转角采集设备与摆杆连接装置；
所述机器人与旋转角采集设备连接装置将旋转角采集设备固定于机器人末端法兰上，用于调节旋转角采集设备与法兰的距离及倾角；
所述旋转角采集设备与摆杆连接装置将旋转角采集设备与摆杆末端连接，用于保证旋转采集设备与摆杆同轴旋转，且在非旋转方向上具有弹性；
所述机器人与旋转角采集设备连接装置采用金属连接件将旋转角采集设备连接到机器人法兰；该金属连接件两端具有固定机器人法兰和旋转角采集设备的卡槽，中间具有调整两端卡槽的距离和倾角的旋钮；
所述旋转角采集设备与摆杆连接装置为圆柱体形状，两端分别具有固定旋转角采集设备和摆杆的孔位，中间为非旋转方向的弹性结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于串联机器人的倒立摆教学系统，其特征在于，所述旋转角采集设备的旋转轴与摆杆同轴，且非旋转方向具有弹性。
3.根据权利要求1所述的一种基于串联机器人的倒立摆教学系统，其特征在于，所述旋转角采集设备为编码器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111580392B (zh) * 2020-07-14 2021-06-15 江南大学 一种串联倒立摆的有限频率范围鲁棒迭代学习控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1477606A (zh) * 2002-08-23 2004-02-25 中国科学技术大学 旋转式倒立摆
CN206058740U (zh) * 2016-07-08 2017-03-29 西安理工大学 一种基于旋转倒立摆的自动控制教学辅助装置
CN107363852A (zh) * 2017-07-18 2017-11-21 武汉理工大学 一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人及控制方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1477606A (zh) * 2002-08-23 2004-02-25 中国科学技术大学 旋转式倒立摆
CN206058740U (zh) * 2016-07-08 2017-03-29 西安理工大学 一种基于旋转倒立摆的自动控制教学辅助装置
CN107363852A (zh) * 2017-07-18 2017-11-21 武汉理工大学 一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人及控制方法

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
二轴倒立摆系统的平衡控制研究;崔平等;《实验室研究与探索》;20070130(第01期);全文 *
佟远等.基于PID双闭环的旋转倒立摆控制系统.《测控技术》.2016,(第08期), *
倒立摆摆杆角度检测装置的设计与实现;刘二林等;《测控技术》;20151218(第12期);全文 *
倒立摆的可变增益迭代学习控制算法;殷红等;《自动化与仪器仪表》;20090525(第03期);全文 *
基于DSP的旋转式倒立摆控制系统;黄南晨等;《中国科学技术大学学报》;20020630(第03期);全文 *
基于PID双闭环的旋转倒立摆控制系统;佟远等;《测控技术》;20160818(第08期);85-88页 *
基于STM32的旋转倒立摆实验平台的下位机设计与实现;范硕等;《电脑知识与技术》;20180605(第16期);219-221页 *
直线倒立摆系统控制特性的影响因素分析与实验;罗忠等;《东北大学学报(自然科学版)》;20110415(第04期);全文 *

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