[发明专利]机械臂装置的闭环控制系统及方法

说明书

本发明公开一种机械臂装置的闭环控制系统及方法，其中机械臂装置的闭环控制系统利用了机械臂负载端的位置信息（或者负载端上定位源的位置信息）作为反馈实现闭环自动控制，使机械臂各关节的控制可以相互协同，减少了对单一关节控制的依赖，并解决机械臂各连接杆长度的变化引起的负载端控制精度和稳定度问题。本技术方案利用非固定在机械臂装置上的同类型定位源预设机械臂负载端的运动轨迹，控制器自动记录轨迹各点位置坐标，并将其逐一设置为系统期望位置，通过闭环控制方法使机械臂装置负载端按预设轨迹运动。进一步，在定位源部署多个声波发射器，根据多个声波发射器的位置确定定位源的位置和姿态，进而确定机械臂装置负载端的位置和姿态。

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种机械臂装置的闭环控制系统及方法。

背景技术

机械臂装置广泛应用于工业自动化、无人作业及演示玩具等领域。机械臂装置通常由基座、若干组连接杆、传动齿轮组、伺服电机、末端负载装置和控制器组成，其功能结构类似人的手臂。机械臂装置的动作通常表现为末端负载装置按照设计的路径和设计的姿态进行运动。机械臂装置的动作需要通过机械臂的控制系统采用一定的控制方法来实现。控制系统通常由控制器、伺服电机、传动齿轮组构成，其基本过程为控制器输出指令控制伺服电机运转，伺服电机运转带动传动齿轮组转动，传动齿轮组转动驱动连接杆产生运动。为实现末端负载装置的三维运动和姿态变化，机械臂装置一般具有多组由连接杆、传动齿轮组和伺服电机构成的关节臂连接而成，每组机械关节臂具备一定范围的运动自由度，相互连接后使处于连接最末端的负载装置能够进行三维运动和姿态变化。为使末端负载装置能够按照设计的路径和姿态进行运动，机械臂的控制系统需使用特定的控制方法。机械臂装置的控制方法一般是根据末端负载装置的路径规划和姿态规划解算出每组机械关节臂运动的参数，这些参数通常表现为伺服电机带动下传动齿轮组转动的角度，控制器利用参数作为输出量控制各组伺服电机转动，以达到控制目的。

机械臂装置因用途不同，所以其末端负载装置具体的功能也有所不同，但其末端负载装置运动路径和姿态的精确度、稳定度和响应速度等参数是机械臂装置的重要性能指标。在不同用途和场合中，有不同的具体要求，而这些参数受到很多因素的影响，主要包括：控制系统和控制方法、机械关节臂的加工精度、末端负载装置的重量尺寸及震动等。这些因素中，机械关节臂加工和末端负载装置由机械臂装置本身特点决定，改善空间不大，因此控制系统和控制方法成为提升机械臂装置性能的重要途径。

为提升末端负载装置运动路径和姿态的精确度和稳定度，目前控制系统的主要方法是精确控制每组机械臂关节转动的角度。在自动控制领域中提高控制精确度和稳定度的基本方法是采用闭环反馈控制。目前机械臂装置的控制系统通常采用增加编码器或标尺等器件实时测定每组关节转动的角度量作为反馈量，将测定的角度量与系统解算出的角度目标参量进行实时比较，将比较误差量换算为继续控制伺服电机运转的控制量，伺服电机在控制量的控制下产生运转，从而使机械臂关节角度发生进一步的变化，这种变化又被测量器件实时测定得到新的角度量，上述步骤不断重复。这一过程中选用合适的误差量换算方法使比较误差最终趋近于零，从而使每组机械臂关节的转动角度与系统解算角度匹配，达到精确控制和稳定控制的目的。这种通过测定每组机械臂关节转动角度量作为反馈量形成的闭环反馈控制方法是目前机械臂装置控制系统主要控制方法，其主要问题在于每组机械臂关节的角度误差会积累到机械臂的末端后形成较大的误差，随着机械关节臂组数量的增加，积累在末端的误差会以几何级数增加。

发明内容

本发明解决的问题是现有的机械臂装置的控制系统通过测定每组机械臂关节转动角度量作为反馈量形成的闭环反馈控制方法，由于每组机械臂关节的角度误差会积累到机械臂的末端后形成较大的误差，随着机械关节臂组数量的增加，积累在末端的误差会以几何级数增加。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种机械臂装置的闭环控制系统，包括：

设置于机械臂装置负载端的定位源，用于发射声波信号；