CN112571412A - 一种智能制造设备的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种智能制造设备的控制系统，包括电源单元和用于智能制造设备的两用机械臂控制单元，所述电源单元为所述用于智能制造设备的两用机械臂控制单元提供电力。

Description

一种智能制造设备的控制系统
技术领域
本发明属于控制领域，具体涉及一种智能制造设备的控制系统。
背景技术
在电视机智能制造组装线或生产线设备中，工业机器人是一种基于多种传感器实现智能化、自动控制、可重复编程、仿人操作的机电一体化自动化生产设备，其最主要的部件是智能制造设备的机械臂，即本发明中所称的机械臂。这种机械臂是一种仿生机电设备，能模拟人手动作通过改变目标物体的位姿来实现作业。可完成搬运、焊接、切割、喷涂及装配等工作。工业机器人机械臂操作可控，可实现人机交互，用途非常广泛。由于工业机器人机械臂的结构特点，整体架构属于费力杠杆形式，并且传动齿轮间隙的存在也会降低机械臂的刚度及运动精度。同时，随着工业机器人需求数量不断增长，智能制造设备的机械臂控制方法也越来越复杂，在整个生产链中，其所消耗的能量也随之不断增长。目前，因此提高机械手臂的负载能力、提高整体控制复杂度的同时，如何能在高效控制的同时，降低能源消耗，成为最迫切的问题。
通常人们是通过减少控制电机电枢电阻和传动环节的摩擦来降低系统功能能耗，但从工业机器人高效利用电能的角度出发，在做出这些改进的同时，进一步分析改进控制方法和原理，实现对机械臂关节驱动系统能耗的主动高效控制，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有方法中存在的问题，通过计算机器人机械臂控制中所涉及到的能源消耗，同时建立机械臂的力学控制模型，再对其进行插值运算，用最终计算得到的校正命令轨迹代替平常的命令轨迹，输入到工业机器人机械臂控制系统的输入端，从而保证工业机器人机械臂末端准确地按照设定的希望轨迹运动。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的智能制造设备的控制系统，包括电源单元和用于智能制造设备的两用机械臂控制单元，所述电源单元为所述用于智能制造设备的两用机械臂控制单元提供电力。
进一步地，用于智能制造设备的两用机械臂控制单元，包括：
标定单元，用于通过实测或者参数标定的方法标定智能制造设备的机械臂的尺寸参数、动力学参数以及关节的控制系统参数；
指定信息输入单元，用于在所述控制系统中，通过输入指定所述机械臂的希望运动轨迹和速度；
力矩计算单元，用于通过所述机械臂的运动算法求解各个关节所受的力矩；
轨迹计算单元，用于计算各个关节的校正命令轨迹；
指令单元，用于以计算出的校正命令来指示所述机械臂的运动。
进一步地，在所述标定单元中，还包括：
力学模型建立子单元，用于根据系统参数建立控制电机控制机械臂的力学模型为：
Figure BDA0002223137310000021
其中τ(t)为机械臂的力矩，θL为机械臂轴的角度位移，
Figure BDA0002223137310000022
为命令角度位移，A,B,C,E为机械臂第j关节控制系统本身的固有特性参数，可以表示为:
Figure BDA0002223137310000031
其中，Re控制电机电枢阻值，Jeff为控制电机有效惯性矩，Ke、Kv、Kp、Kb分别为控制电机力矩比常数、比例常数、位置反馈、误差反馈。
进一步地，所述力矩计算单元中，各个关节所受的力矩τj为：
Figure BDA0002223137310000032
其中，L是Lagrange函数，其为机械臂总动能和总势能的差值，τj是机械臂第j关节的力矩，qj是机械臂连杆j的关节变量；而
Figure BDA0002223137310000033
是关节变量qj对时间的一阶导数，n表示机械臂的关节数量。
首先来计算机械臂的动能，若机械臂连杆j上位置向量jr的质点质量为dm，则该质点的动能为：
Figure BDA0002223137310000034
则连杆j的动能Kj为：
Figure BDA0002223137310000035
其中，jr是质点在坐标系{j}中向量，Tj是基坐标系到连杆坐标系j的变换矩阵，Trace是求矩阵的迹。
机械臂的总动能为：
Figure BDA0002223137310000036
接着，计算机械臂的势能，连杆j的势能Pj为：
Figure BDA0002223137310000041
其中,mj为连杆j的质量，gT为重力加速度向量，即gT＝[gx gy gz 0]。
则总势能为：
Figure BDA0002223137310000042
进一步地，在步骤(4)中，计算各个关节的校正命令轨迹具体包括：
假定系统在时间区间[0,t]是稳定的，在起始条件
Figure BDA0002223137310000043
之下，对机械臂的第j个驱动关节，计算上述力学模型，可以得到校正命令轨迹为：
Figure BDA0002223137310000044
设采样周期T，采样时间tk＝k(k＝0，1，…N，N为采样点数)，对
Figure BDA0002223137310000045
τj(t)进行等间距采样，并在每个区间[tk，tk+1]进行三次插值运算，可以得到：
Figure BDA0002223137310000046
其中，mK由下式确定：
Figure BDA0002223137310000047
其中，n＝N，而λk由采样值序列确定。
由上面的计算可以得到校正命令轨迹
Figure BDA0002223137310000051
进一步地，在所述指令单元利用得到的校正命令轨迹来输入控制电机中，以使该命令轨迹控制机械臂的运动。
附图说明
图1为本发明的智能制造设备的控制系统。
图2为用于智能制造设备的两用机械臂控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作优选详细描述：
参见图1智能制造设备的控制系统，包括电源单元和用于智能制造设备的两用机械臂控制单元，所述电源单元为所述用于智能制造设备的两用机械臂控制单元提供电力。
优选地，参见图2，所述用于智能制造设备的两用机械臂控制单元包括：
标定单元，用于通过实测或者参数标定的方法标定智能制造设备的机械臂的尺寸参数、动力学参数以及关节的控制系统参数；
指定信息输入单元，用于在所述控制系统中，通过输入指定所述机械臂的希望运动轨迹和速度；
力矩计算单元，用于通过所述机械臂的运动算法求解各个关节所受的力矩；
轨迹计算单元，用于计算各个关节的校正命令轨迹；
指令单元，用于以计算出的校正命令来指示所述机械臂的运动。
优选地，在所述标定单元中，还包括：
力学模型建立子单元，用于根据系统参数建立控制电机控制机械臂的力学模型为：
Figure BDA0002223137310000061
其中τ(t)为机械臂的力矩，θL为机械臂轴的角度位移，
Figure BDA0002223137310000062
为命令角度位移，A,B,C,E为机械臂第j关节控制系统本身的固有特性参数，可以表示为:
Figure BDA0002223137310000063
其中，Re控制电机电枢阻值，Jeff为控制电机有效惯性矩，Ke、Kv、Kp、Kb分别为控制电机力矩比常数、比例常数、位置反馈、误差反馈。
优选地，所述力矩计算单元中，各个关节所受的力矩τj为：
Figure BDA0002223137310000064
其中，L是Lagrange函数，其为机械臂总动能和总势能的差值，τj是机械臂第j关节的力矩，qj是机械臂连杆j的关节变量；而
Figure BDA0002223137310000065
是关节变量qj对时间的一阶导数，n表示机械臂的关节数量。
首先来计算机械臂的动能，若机械臂连杆j上位置向量jr的质点质量为dm，则该质点的动能为：
Figure BDA0002223137310000066
则连杆j的动能Kj为：
Figure BDA0002223137310000067
其中，jr是质点在坐标系{j}中向量，Tj是基坐标系到连杆坐标系j的变换矩阵，Trace是求矩阵的迹。
机械臂的总动能为：
Figure BDA0002223137310000071
接着，计算机械臂的势能，连杆j的势能Pj为：
Figure BDA0002223137310000072
其中,mj为连杆j的质量，gT为重力加速度向量，即gT＝[gx gy gz 0]。
则总势能为：
Figure BDA0002223137310000073
优选地，在步骤(4)中，计算各个关节的校正命令轨迹具体包括：
假定系统在时间区间[0,t]是稳定的，在起始条件
Figure BDA0002223137310000074
之下，对机械臂的第j个驱动关节，计算上述力学模型，可以得到校正命令轨迹为：
Figure BDA0002223137310000075
设采样周期T，采样时间tk＝k(k＝0，1，…N，N为采样点数)，对
Figure BDA0002223137310000076
τj(t)进行等间距采样，并在每个区间[tk，tk+1]进行三次插值运算，可以得到：
Figure BDA0002223137310000077
其中，mK由下式确定：
Figure BDA0002223137310000081
其中，n＝N，而λk由采样值序列确定。
由上面的计算可以得到校正命令轨迹
Figure BDA0002223137310000082
优选地，在所述指令单元利用得到的校正命令轨迹来输入控制电机中，以使该命令轨迹控制机械臂的运动。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (5)

1.一种智能制造设备的控制系统，包括电源单元和用于智能制造设备的两用机械臂控制单元，所述智能制造设备为电视机智能组装线，所述电源单元为所述用于智能制造设备的两用机械臂控制单元提供电力。
2.根据权利要求1所述的智能制造设备的控制系统，其特征在于，所述用于智能制造设备的两用机械臂控制单元包括：
标定单元，用于通过实测或者参数标定的方法标定智能制造设备的机械臂的尺寸参数、动力学参数以及关节的控制系统参数；
指定信息输入单元，用于在所述控制系统中，通过输入指定所述机械臂的希望运动轨迹和速度；
力矩计算单元，用于通过所述机械臂的运动算法求解各个关节所受的力矩；
轨迹计算单元，用于计算各个关节的校正命令轨迹；
指令单元，用于以计算出的校正命令来指示所述机械臂的运动。
3.根据权利要求2所述的智能制造设备的控制系统，其中在标定单元中，具体包括：
力学模型建立子单元，用于根据系统参数建立控制电机控制所述机械臂的力学模型为：
Figure FDA0002223137300000011
其中τ(t)为机械臂的力矩，θL为机械臂轴的角度位移，
Figure FDA0002223137300000012
为命令角度位移，A,B,C,E为机械臂第j关节控制系统本身的固有特性参数，可以表示为:
Figure FDA0002223137300000013
其中，Re控制电机电枢阻值，Jeff为控制电机有效惯性矩，Ke、Kv、Kp、Kb分别为控制电机力矩比常数、比例常数、位置反馈、误差反馈。
4.根据权利要求2所述的智能制造设备的控制系统，其中所述力矩计算单元中，各个关节所受的力矩τj为：
Figure FDA0002223137300000021
其中，L是Lagrange函数，其为机械臂总动能和总势能的差值，τj是机械臂第j关节的力矩，qj是机械臂连杆j的关节变量；而
Figure FDA0002223137300000022
是关节变量qj对时间的一阶导数，n表示机械臂的关节数量。
首先来计算机械臂的动能：若机械臂连杆j上位置向量jr的质点质量为dm，则该质点的动能为：
Figure FDA0002223137300000023
则连杆j的动能Kj为：
Figure FDA0002223137300000024
其中，jr是质点在坐标系{j}中向量，Tj是基坐标系到连杆坐标系j的变换矩阵，Trace是求矩阵的迹。
机械臂的总动能为：
Figure FDA0002223137300000025
接着，计算机械臂的势能，连杆j的势能Pj为：
Figure FDA0002223137300000026
其中,mj为连杆j的质量，gT为重力加速度向量，即gT＝[gx gy gz 0]。
则总势能为：
Figure FDA0002223137300000031
进一步地，在步骤(4)中，计算各个关节的校正命令轨迹具体包括：
假定系统在时间区间[0,t]是稳定的，在起始条件
Figure FDA0002223137300000032
之下，对机械臂的第j个驱动关节，计算上述力学模型，可以得到校正命令轨迹为：
Figure FDA0002223137300000033
j＝1，2，…，m；
设采样周期T，采样时间tk＝k(k＝0，1，…N，N为采样点数)，对
Figure FDA0002223137300000034
τj(t)进行等间距采样，并在每个区间[tk，tk+1]进行三次插值运算，可以得到：
Figure FDA0002223137300000035
其中，mK由下式确定：
Figure FDA0002223137300000036
其中，n＝N，而λk由采样值序列确定。
由上面的计算可以得到校正命令轨迹
Figure FDA0002223137300000037
5.根据权利要求2所述的智能制造设备的控制系统，其中所述指令单元利用得到的校正命令轨迹来输入控制电机中，以使该命令轨迹控制机械臂的运动。
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