[发明专利]一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法

说明书

本发明涉及一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法，包括以下步骤：初始化倒立摆参考输入；将参考输入与采集数据比较，分别计算控制误差，包括：水平运动位置误差、速度误差、旋转角度误差及角速度的误差；根据控制误差，利用倒立摆控制算法计算机器人期望控制量；根据期望控制量，利用机器人控制算法得到驱动机器人运动所需的控制量，将该控制量发送至机器人；采集倒立摆运动状态并反馈至采集数据中，倒立摆运动状态包括水平运动位置与速度、旋转角度与角速度，实现倒立摆的闭环控制。本发明能够满足高校在机器人、自动控制等相关学科方向的教学实验需求，能够帮助学生将所学到的专业知识应用到具体的工程项目中。

技术领域

本发明涉及机器人、自动控制及相关教学等领域。具体的说是一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法。

背景技术

倒立摆系统广泛应用于军工、航天、行走机器人等领域。而串联机器人又在工业生产、科学研究甚至人民生活中起着重要作用。急需高校培养大量专业技术人员，对高校在相关领域的教学提出了更高的要求。因此，高校对相关领域的教学设备需求巨大。目前将机器人与倒立摆结合的教学设备较为缺乏。机器人与倒立摆结合的教学系统能够更加全面的培养学生的能力，同时也能促进多个技术领域的融合。

发明内容

本发明目的是提供一种基于串联机器人的倒立摆教学系统及控制方法，用于满足高校对机器人及自动控制等相关学科的教学需求。如：机器人运动学、机器人轨迹规划、倒立摆控制等算法的教学与实验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于串联机器人的倒立摆教学系统控制方法，包括以下步骤：

初始化倒立摆参考输入：水平运动位置与速度、旋转角度与角速度；

将参考输入与采集数据比较，分别计算控制误差，包括：水平运动位置误差、速度误差、旋转角度误差及角速度的误差；

根据控制误差，利用倒立摆控制算法得到机器人末端期望控制量；

根据期望控制量，利用机器人控制算法得到驱动机器人运动所需的控制量，将该控制量发送至机器人；采集倒立摆运动状态并反馈至采集数据中，倒立摆运动状态包括水平运动位置与速度、旋转角度与角速度，实现倒立摆的闭环控制。

所述机器人控制算法包括以下步骤：

对期望控制量即机器人末端加速度进行插补和积分，从而获取机器人末端期望位置偏移量，再利用逆运动学，求解每个关节的控制量，进而驱动机器人实现期望的运动。

所述机器人控制算法的控制周期与倒立摆控制算法的控制周期不同。

所述机器人控制算法的控制周期与倒立摆控制算法的控制周期满足如下关系：

T_i＝c·T_r

其中：T_i为倒立摆控制周期；T_r为机器人控制周期；c为大于0的整数。

一种基于串联机器人的倒立摆教学系统，包括旋转角采集设备、摆杆、机器人与旋转角采集设备连接装置、旋转角采集设备与摆杆连接装置；

所述机器人与旋转角采集设备连接装置将旋转角采集设备固定于机器人末端法兰上，用于调节旋转角采集设备与法兰的距离及倾角；

所述旋转角采集设备与摆杆连接装置将旋转角采集设备与摆杆末端连接，用于保证旋转采集设备与摆杆同轴旋转，且在非旋转方向上具有弹性。

所述机器人与旋转角采集设备连接装置采用金属连接件将旋转角采集设备连接到机器人法兰；该金属连接件两端具有固定机器人法兰和旋转角采集设备的卡槽，中间具有调整两端卡槽的距离和倾角的旋钮。