[發明專利]一種視覺伺服機械臂系統的自適應死區逆模型發生裝置

無效

• 申請號: 201410601411.6
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104476544A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 劉治;王福杰;宋路露;楊智斌;章云
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: B25J9/18
• 分類號: B25J9/18;B25J13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種視覺伺服機械臂系統的自適應死區逆模型發生裝置，屬于視覺伺服機械臂系統在輸入信號上的改造技術。

背景技術

機器人的研究開始于20世紀中葉，它伴隨著自動化和計算機技術的發展以及原子能的開發利用而發展起來。機器人一直處于從簡單到復雜，從單一到多樣，從低級到高級的不斷發展過程中，隨著電子器件技術的發展，計算機的計算處理能力得到極大的提高與各種各樣的傳感器應用在機器人系統上，大多數機器人工作環境是預先設定好的，所以一旦工作環境發生任何變化，就需要重新設定機器人系統。這樣一來便大大地限制了工業機器人的應用范圍。為了改變這種情況，使機器人適應各種變化的環境，人們將各種外部傳感器如觸覺、距離、力覺和視覺傳感器應用到機器人控制系統中，為了給機器人提供廣泛豐富的信息而無需對環境進行接觸式測量，進而使機器人具有更廣的適用范圍及更高的性能，人們為機器人引入視覺傳感器。在機械臂的視覺伺服系統研究之中，機器人的視覺傳感器與執行器之間的智能控制策略具有廣泛的應用前景，并已經成為一個研究熱點。所謂視覺伺服，就是將視覺傳感器所得到的目標位置信息作為反饋，從而構造位置閉環的機器人控制系統P。。視覺伺服通過自動獲取和分析目標圖像來控制機器人運動。總之，視覺伺服就是利用機器視覺的原理，對圖像反饋信息進行快速處理，并根據處理得到的信息快速給出位置控制信號，構成位置閉環的機器人控制。

20世紀70年代初，人們開始將計算機視覺與機器人伺服技術結合起來。Shirai和Inoue是最早將視覺應用于機器人系統的學者。他們采用的視覺伺服方式是通過視覺系統采集到的圖像信息來計算估計目標的位置，這是一種靜態的視覺控制方式。視覺與機器人系統的連接是開環的，所以機器人的定位精度與視覺系統精度以及機器人精度有關。其中，視覺系統精度主要受視覺標定誤差和分辨率的影響。而機器人精度主要與關節位置傳感器精度、機器人逆運動

學模型精度、關節控制算法、齒隙和機器人柔性等因素有關。按照反饋信息的不同，視覺伺服主要分為基于圖像的視覺伺服和基于位置的視覺伺服兩類。基于圖像的視覺伺服直接以圖像計算誤差，傳給視覺控制器來規劃機器人的運動。這種方法不需要計算目標的位置，對機器人的位姿不敏感，但是控制器的設計難度比較大。基于位置的視覺伺服根據圖像和機器人自身的位姿來計算目標的位置，視覺控制器根據目標位置來規劃機器人的運動。這種方法的優點是反饋到視覺控制器的信號是位置信號，而內環控制器需要的也是位置信號，因此視覺控制器的設計實現都相對容易。但該方法需要計算圖像的三維信息，獲取目標的空間坐標，同時，目標的位置依賴于機器人和攝像機的位姿，對機器人和攝像機的標定誤差比較敏感。

但目前的關鍵問題是：第一，普遍的帶視覺伺服機械臂系統都需要對相機進行標定，然而相機標定是一件繁瑣且效率低下的工作，盡管已經有不少的方法被用于視覺系統的標定，但是相機標定的成本依然很高。對攝像機的外部參數和內部參數進行求取的過程即為攝像機的標定。視覺系統的工作原理就是從攝像機獲取二維圖像信息出發，計算出三維環境中物體的形狀、位置等幾何信息，并由此重新構建三維物體。二維圖像上每一點的位置與三維空間中該物體表面相應點的幾何位置相關。這種相互關系決定于攝像機成像幾何模型，幾何模型的參數又稱為攝像機參數，主要包括外參數和內參數。其中外參數是指攝像機坐標系在參考坐標系中的表示，內參數則主要包括成像平面坐標到圖像坐標的放大系數、光軸中心點的圖像坐標、鏡頭畸變系數等。攝像機標定提供了專業攝像機與非測量攝像機之間的聯系。而所謂非測量攝像機是指其內部參數完全未知，部分未知或者原則上不確定的這樣一類攝像機。攝像機標定就是通過標定實驗獲得攝像機的內、外參數；第二，由于齒輪難以完全緊湊咬合以及機械隨使用時間和次數的損耗，在機械臂系統的力矩輸入會存在各種各樣的非線性因素，不僅會大大影響控制的效果更會導致伺服系統不穩定，其中比較常見的就是輸入死區非線性約束。在驅動器為電機提供輸入力矩時，存在的死區非線性表現為齒輪咬合出現重疊，當一定范圍內力矩可以準確的施加在電機上，但是當力矩超出死區閥值時，表現為輸施加到電機上的力矩呈現閥值特性，保持死區的輸入最大值，使控制性能劇烈下降甚至會導致不穩定。

發明內容

本發明的目的在于考慮上述的視覺伺服機械臂控制系統在輸入信號上受死區非線性約束影響而提出的一種視覺伺服機械臂系統的自適應死區逆模型發生裝置。