[發明專利]并聯機器人的動力學協調控制系統

無效

• 申請號: 201210282710.9
• 申請日: 2012-08-09
• 公開（公告）號: CN102785245A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 尚偉偉;叢爽
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;趙鎮勇

技術領域

本發明涉及一種并聯機器人的動力學協調控制系統，屬于運動控制系統的控制技術領域。

背景技術

傳統的工業機器人一般采用開鏈式結構，即基座和末端執行器之間只有一條運動鏈連接，對于具有這種結構的機器人，也稱其為串聯機器人。串聯機器人具有工作空間大、操作靈活等優點，但其機械結構也使得它存在誤差累積、剛度小、承載能力低等缺點，這都限制了串聯機器人在實際應用中的性能。為了彌補串聯機器人結構方面的不足，提高機器人的性能，人們提出了一種新型的具有多個運動鏈結構的機器人——并聯機器人。由于并聯機器人的基座和末端執行器之間具有兩個或兩個以上的運動鏈，多個運動鏈同時操作末端執行器，不僅可以減小累積誤差，而且使得并聯機器人具有運動速度快、剛度大、承載能力強等許多優點。

要實現并聯機器人的高性能運動控制，關鍵在于設計良好的控制器。根據所使用的模型不同，并聯機器人的控制器可以分為運動學控制器和動力學控制器兩大類。其中動力學控制器的原理就是在給定了并聯機器人期望運動軌跡后，利用動力學模型求解逆動力學問題，計算得到跟蹤期望運動軌跡所需要的驅動力矩，然后控制各個運動鏈的驅動裝置輸出相應的力矩，從而使并聯機器人按照期望軌跡運動。可見，并聯機器人的動力學模型在動力學控制中具有重要意義，而動力學控制的核心問題就是并聯機器人的逆動力學問題，因此，并聯機器人的動力學控制也稱作逆動力學控制。典型的并聯機器人動力學控制器包括增廣PD控制器和計算力矩控制器。由于充分考慮了并聯機器人的動力學模型，動力學控制器在理論上具有較好的性能，尤其在高速運動控制中，采用動力學控制器能夠獲得比運動學控制器更好的控制效果。

并聯機器人的動力學控制器都是直接來源于傳統串聯機器人的控制方法，這些控制器在串聯機器人的運動控制中能達到較好的控制效果。但是，當把這些方法用于并聯機器人控制時，從本質上講它們都沒有考慮到并聯機器人在機械結構上具有多個運動鏈這一特點，忽視了各支鏈間的協調運動。在實際應用中，各個運動鏈之間往往存在機械結構和動力學特性的差異，因此各個運動鏈的運動控制精度不同，進而無法實現多個運動鏈的協調運動。此外，并聯機器人的多個運動鏈構成了一個閉環機構，因此，各個運動鏈的運動控制精度不同會大幅增加閉鏈機構中的約束力，故現有動力學控制器不能保證整個并聯機器人的運動控制精度。特別是對于冗余驅動并聯機器人來說，冗余驅動會進一步加深動力學模型的非線性程度，各個運動鏈之間存在的約束力也會被放大，從而并聯機器人的協調性不能保證，甚至機械結構也會損壞。

發明內容

本發明為解決并聯機器人的現有動力學控制技術中存在的無法實現多個運動鏈的協調運動，會導致各個運動鏈之間存在的約束力增加，并導致整個并聯機器人的運動控制精度較低的問題，進而提供了一種并聯機器人的動力學協調控制系統，本發明提供了如下的技術方案：

并聯機器人的動力學協調控制系統，包括：協調控制模塊、非線性動力學補償模塊和非線性摩擦力補償模塊；

所述協調控制模塊用于輸出協調控制信號τ_e1，所述協調控制信號τ_e1由比例增益矩陣K_d和組合誤差信號s組成，記為τ_e1＝K_ds；

所述非線性動力學補償模塊用于輸出動力學補償信號τ_e2，所述動力學補償信號τ_e2記為其中的M_e表示并聯機器人的慣性矩陣，C_e表示科里奧利矩陣，表示參考速度，用于對期望速度的修正，表示參考加速度，用于對期望加速度的修正；

所述非線性摩擦力補償模塊用于輸出摩擦力補償信號τ_e3，所述摩擦力補償信號τ_e3記為τ_e3＝S^Tf_a，其中的f_a表示關節的非線性摩擦力，S表示速度雅克比矩陣。

本發明實施方式提供的技術方案能夠實現并聯機器人多運動鏈之間的同步運動，其中的同步誤差包括了跟蹤誤差信息，隨著同步誤差的減小，跟蹤誤差也將減小，因此提高了連續軌跡跟蹤的精度；并且同步誤差還包含了軸與軸之間的相對運動信息，因此同步誤差中的每一項不但包括了對應軸的信息，還包括了其他運動軸的信息，從而同步誤差可以調整軸與軸之間的關系。

附圖說明