[發明專利]一種五自由度混聯機器人的雙閉環控制方法

有效

• 申請號: 201610465824.5
• 申請日: 2016-06-21
• 公開（公告）號: CN105945954B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 黃田;劉祺;董成林;肖聚亮;劉海濤;梅江平;田文杰;丁雅斌
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 王麗英

技術領域

本發明涉及機器人的雙閉環控制方法，尤其涉及一種五自由度混聯機器人的雙閉環控制方法。

背景技術

工業機器人普遍采用半閉環控制策略，即利用編碼器通過檢測各關節伺服電機的實際轉角構成位置和速度半閉環控制。這種控制策略調試維修方便，穩定性好，已得到廣泛應用。但半閉環控制無法補償機械系統傳動誤差及由構件彈性變形所造成的末端執行器位姿誤差。如可直接檢測到機器人機構輸出構件的位姿信息，則可實施全閉環反饋控制，進而有利于提高機器人末端執行器的運動精度。

專利US006301525B1公開了對一種五自由度混聯機器人中一平動兩轉動并聯機構的控制方法。該方法在從動長度調節裝置與機架相連的虎克鉸兩個軸線上安裝兩個圓光柵，沿從動長度調節裝置軸線安裝一個直線光柵。利用這些傳感器檢測到的轉角和長度信息，首先計算出并聯機構動平臺參考點的位置誤差，然后再經誤差逆解模型得到三個主動長度調節裝置伺服電機的轉角誤差，進而用這些轉角誤差于修改理想控制指令。然后再利用伺服電機的編碼器檢測信息實現位置和速度環調節。這種方法必須經過兩步運算，計算時間長，難于以伺服更新速率實現。此外，在從動長度調節裝置與機架相連的虎克鉸上安裝的圓光柵開放性不好，不便于維修和更換。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種可實時補償其中并聯機構三個主動長度調節裝置因絲杠傳動誤差、熱誤差及構件彈性變形引起的桿長誤差，有利于提高五自由度混聯機器人的運動控制精度的五自由度混聯機器人的雙閉環控制方法。

本發明的一種含轉動支架的五自由度混聯機器人的雙閉環控制方法，它包括以下步驟：

(1)安裝第一圓光柵、第二圓光柵以及直線光柵；

其中在轉動支架與機架連接的第一轉動副的轉軸上安裝第一圓光柵的尺身，在第一固定軸座上安裝第一圓光柵的讀數頭；在轉動支架與從動長度調節裝置連接的第四轉動副的轉軸上安裝第二圓光柵的尺身，在轉動支架上安裝第二圓光柵的讀數頭；在從動長度調節裝置軸線移動方向安裝直線光柵的尺身，在從動長度調節裝置與轉動支架所連接的第四轉動副的內圈內側安裝直線光柵讀數頭；

(2)利用第一圓光柵、第二圓光柵實時檢測第一轉動副和第四轉動副的軸線的實際轉角，利用直線光柵實時檢測從動長度調節裝置沿移動副方向的移動距離，從而得到從動長度調節裝置實際桿長，將所述的實際轉角和實際桿長信息通過算法轉換為驅動三個主動長度調節裝置的伺服電機的實際轉角，并將其與指令值比較，經位置環控制器PID調節轉換為速度指令，進而實現位置環反饋控制；通過驅動三個主動長度調節裝置的伺服電機的電機軸上安裝的絕對式角度編碼器，實時檢測三個伺服電機軸的實際轉角并分別作微分處理得到三個伺服電機的實際電機轉速，分別與相應的所述的速度指令進行比較，進而通過伺服放大器PI調節實現三個伺服電機的速度環反饋控制；

所述的算法為：

式中：

p——主動長度調節裝置中滾珠絲杠的導程

q₄——通過直線光柵檢測的移動距離加上從動長度調節裝置初始位置桿長而得到的從動長度調節裝置桿長

ψ——第一圓光柵檢測到的第一轉動副的軸線的實際轉角

θ——第二圓光柵檢測到的第四轉動副的軸線的實際轉角

a₁——由第一球鏈中心到從動調節裝置軸線的理論垂距

a₂——由第二、三球鏈中心到從動調節裝置軸線的理論垂距

b₁——連接第一主動長度調節裝置與第二固定軸座的虎克鉸的近架轉軸軸線到轉動支架與機架相連轉軸軸線間的理論距離

b₂——連接第二主動長度調節裝置與轉動支架的第二轉動副的轉軸軸線到連接從動長度調節裝置與轉動支架的第四轉動副的轉軸軸線間的理論距離或者連接第三主動長度調節裝置與轉動支架的第三轉動副的轉軸軸線到連接從動長度調節裝置與轉動支架的第四轉動副的轉軸軸線間的理論距離

θ_1a、θ_2a、θ_3a——由第一圓光柵、第二圓光柵和直線光柵檢測信息計算得到的驅動三個主動長度調節裝置的伺服電機的實際轉角。