[发明专利]一种Manutec R3型工业机器人动态优化系统

权利要求书

1.一种Manutec R3型工业机器人动态优化系统，包括优化计算模块、控制器、数模转换器、模数转换器、驱动器、执行器、位置传感器、现场总线网络、人机交互模块、Manutec R3型工业机器人机械主体，其特征在于：系统运行过程具体包括以下步骤：

步骤A1：由控制室工程师通过人机交互模块指定Manutec R3机器人腰关节、肩关节、肘关节变量的初始状态以及末端状态，凭借工程经验设定机器人完成作业的大致时间t_f，指定扭矩电机的性能约束、起始时间网格数N个、控制变量的初始值，10≤N≤20，非线性规划问题求解模块的精度ε_l、精细化收敛性判断模块的精度ε_J，精细化迭代次数上限I_max、最小时间网格宽度w_min以及控制网格精细化模块的合并系数α和插入系数β_ii，ii＝1,2,…,nn；nn表示插入系数个数；

步骤A2：优化计算模块通过输入的参数，执行控制网格精细化模块的优化策略，计算出机器人最快完成相应动作所需的每个关节轴上的扭矩电压，通过现场总线网络发送给控制器的数模转换器；

所述的优化计算模块，包括输入模块、初始化模块、控制网格精细化模块、非线性规划问题求解模块、精细化收敛性判断模块、输出模块；所述的优化计算模块执行的步骤如下：

步骤B1：输入模块接收工程师通过人机交互系统输入的腰关节、肩关节、肘关节变量的初始状态，末端状态，最终时间t_f，扭矩电机的性能约束，时间网格数N，控制变量的初始值以及ε_l、ε_J、I_max、w_min、α、β_ii参数信息；

步骤B2：执行初始化模块，根据最终时间t_f，起始时间网格数N，采用均匀离散化的方式，计算出起始时间网格分布；初始化控制变量的初始值，初始化非线性规划问题求解模块的精度ε_l、迭代次数l＝0，设置精细化收敛性判断模块的精度ε_J、精细化迭代次数I＝0、精细化迭代次数上限I_max、最小时间网格宽度w_min、合并系数α、插入系数β_ii；

步骤B3：执行最优控制形式转换模块；

步骤B4：通过非线性规划问题求解模块求解非线性规划问题，得到当前时间网格下的最优的控制参数和目标函数值，当l＝0时，跳过步骤B5，直接执行步骤B6；

步骤B5：运行精细化收敛性判断模块，若满足收敛条件，则算法终止，并执行输出模块；否则，执行下一步；

步骤B6：运行控制网格精细化模块，得到新的控制参数、新的时间网格分布和新的目标函数值J，精细化迭代次数I＝I+1，转入步骤B4；

所述的控制网格精细化模块，包括控制网格合并模块、控制网格插入模块、时间切换点定位模块，执行步骤如下：

步骤D1：根据式(7)、式(8)计算当前的控制参数对应的左斜率右斜率

其中，分别是时间区间[t_i-2,t_i-1]，[t_i-1,t_i]和[t_i,t_i+1]的控制参数，t_i为离散化后的时间网格节点，i＝0,1,…,N，j表示控制变量u(t)第j个分量；

步骤D2：消除没有必要的时间节点来降低非线性规划问题维数；如果控制参数的左斜率与下一时间网格的控制参数的右斜率满足时间网格节点的合并准则，见式(9)：

其中，α为合并系数，那么就可消除t_i这个时间节点，合并时间子区间[t_i-1,t_i]和[t_i,t_i+1]，合并后的子区间[t_i-1,t_i+1]的控制参数的取值为控制参数和控制参数的平均值；

步骤D3：插入时间网格来提高逼近精度，定义时间网格节点细化规则如式(10)：

式中，Δk为插入时间节点的个数，β_ii为用于表征控制参数变化快慢的插入系数，ii＝1,2,…,nn，其值随着ii值的增大而增大，nn表示插入系数个数，为1-6之间的整数；对于控制参数的左右斜率和如果其斜率平均值在[β₁,β₂)内，则在控制参数所属的时间网格[t_i,t_i+1]内的0.5(t_i+1-t_i)+t_i时刻插入一个时间节点；对于控制参数的左右斜率和如果斜率平均值在[β_nn-1,β_nn)，则在这个控制参数所属的时间网格[t_i,t_i+1]内均匀插入nn-1个时间节点；假设第b-1与第b个时间网格区间被细化分为Δk个小区间，对于i＝b，那么细化后的时间节点将被重新标记如式(11)：

对于i＝b+1,b+2,…N，那么细化后的时间节点将被重新标记为式(12)：

式中为重新标记后时间节点；

步骤D4：对重要时间切换点进行定位；为了更好地描述相邻两个控制参数的变化趋势，对于控制参数和下一个时间网格控制参数的中点连线定义一个斜率，称为中间斜率s_i，i＝1,2,…,N-1，如式(13)：

对重要时间切换点的判断准则如式(14)：

s_i·s_i+1≤0 (14)；

则说明相邻的控制参数和呈现一个转折现象，这个转折点被认为是重要的时间切换点；若

|s_i|≤|s_i+1| (15)；

则将t_i+1作为待优化的时间节点与控制变量同时优化，若

|s_i|≥|s_i+1| (16)；

则将t_i作为待优化的时间节点与控制变量同时优化；

步骤A3：控制器根据控制指令控制相应的驱动器，驱动器支配机器人每个关节的执行单元去完成规定的运动和功能；

步骤A4：位置传感器实时采集机器人手臂的位置信息，经过模数转换后用现场总线网络送给优化计算模块，实时更新控制策略，实现在线优化。