[發明專利]機械臂位置粗精復合閉環控制方法

有效

• 申請號: 201410043410.4
• 申請日: 2014-01-25
• 公開（公告）號: CN103753586A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 安凱;王曉英;安培亮;安宏亮
• 申請（專利權）人: 安凱
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08;B25J18/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種機械臂位置粗精復合閉環控制方法。

背景技術

空間機械臂作為航天器的一種重要工具，可用于衛星的回收和維修、大型設備的組裝、空間站的在軌建設、以及作為航天員出艙的輔助平臺，提高安全性及艙外工作能力等。隨著空間探索的不斷深入，空間機械臂在未來的空間活動中將扮演更加重要的角色。由于空間機械臂的桿件較長，比如加拿大為國際空間站研制的巨型機械臂，其長度達19m；用于協助安裝該巨型機械臂的小型機械臂，其桿件長度也達到15m。由于關節位于所控制桿件的始端，關節處微小的角位移誤差，經桿件放大后就會造成機械臂末端較大的定位誤差。以15m長的桿件為例，若關節角位移的控制誤差為1o，末端的定位誤差將達到0.2617m!如此巨大的定位誤差，要完成精細的維修、組裝和交會對接等任務顯然是不可能的。

閉環反饋控制是一種很好的提高控制精度的方法，但對于傳統的機械臂控制系統，由于無法直接獲取末端執行器的位姿，一般是通過測量各關節角度，間接計算末端執行器的位姿，以實現反饋控制。由于反饋信息取自各個關節，而不是末端執行器，這種反饋控制實際上屬于半閉環反饋控制，無法克服由于機械嚙合松動等問題帶來的控制誤差。其實，對于傳統的機械臂，即使能夠直接獲取末端執行器的位姿，由于存在齒隙等因素導致的機械嚙合松動，實現對末端執行器的精確控制也是不可能的。因此要提高機械臂末端執行器的位姿，首先要直接獲取末端執行器的位姿，其次是需要引進一種能夠精確消除位姿誤差的機構。

發明內容

發明了一種由3個滑移關節構成的機械臂位置精控制機構，該機構安裝在傳統機械臂末端。由于其臂桿較短，因此具有較高的定位精度。與該機構靠近末端的滑移關節固連的兩個CCD相機探測被抓取物體，并計算被抓取物體相對于末端的位置誤差。使用中，傳統機械臂根據被抓取物體的位置調整各關節的角度，與位置精控制機構靠近末端的滑移關節固連的兩個CCD相機拍攝被抓取物體的圖像，并計算定位誤差，位置精控制機構根據定位誤差實施精確控制。本發明實現了基于立體視覺的機械臂末端位置的粗精復合閉環控制。

附圖說明

圖1是機械臂位置精控制機構外觀圖，圖2是機械臂位置精控制機構內部結構示意圖。

標號說明：1平行滑移關節，2垂直滑移關節，3末端執行器，4CCD相機，5基座，6平行滑移關節殼體，7螺桿，8垂直滑移關節殼體，9滑動塊，10內螺紋桿，11電機。

具體實施方式

在傳統的機械臂末端增加精控制機構之后，整個機構可分為兩部分，一部分是用于實現末端位置粗控制的機械臂，即傳統機械臂，稱為粗控制機械臂，另一部分是位置精控制機構，用于實現末端位置精準控制。

1.位置精控制機構的組成

如圖1所示，位置精控制機構由3個滑移關節組成，其中一個是平行滑移關節(1)，即伸縮桿，另外2個是結構完全一樣的垂直滑移關節(2)。

如圖2所示，平行滑移關節(1)的平行滑移關節殼體(6)是一個空心圓柱，一端安裝電機(11)，電機(11)的軸與一根螺桿(7)連接，螺桿(7)與內螺紋桿(10)嚙合，內螺紋桿(10)從平行滑移關節殼體(6)底部伸出，連接到第一個垂直滑移關節(2)的基座(5)上。

垂直滑移關節(2)的殼體(8)是一個側面開槽的空心圓柱，圓柱一端安裝電機(11)，電機(11)的軸與螺桿(7)連接，螺桿(7)的另一端插入安裝在垂直滑移關節殼體(8)另一端底面上的軸承內。滑動塊(9)由兩個相交成90°的圓柱構成，其中一個圓柱帶內螺紋，并與螺桿(7)嚙合，另一實心圓柱伸出垂直滑移關節殼體(8)，連接到第二個垂直滑移關節(2)的基座(5)上。第二個垂直滑移關節(2)的滑動塊(9)上的實心圓柱與末端執行器(3)連接。

電機(11)可以正反兩個方向旋轉。

兩個CCD相機(4)安裝在位置精控制機構靠近末端的垂直滑移關節(2)的殼體(8)上，它們的光軸與末端執行器(3)的對稱軸平行。

2.位置精控制機構坐標系及被抓取物體的質心的坐標

以兩個CCD相機(4)的公共相平面與末端執行器(3)的對稱軸的交點為原點，以兩個CCD相機(4)的光軸與公共相平面的交點的連線為x軸(正向為右)，以公共相平面內經過原點并與x軸垂直的向上方向為y軸，以末端執行器(3)的對稱軸為z軸建立測量坐標系。兩個CCD相機的相面坐標系的橫軸和縱軸分別與x軸和y軸平行，原點位于光軸與相平面的交點。