一種Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于LabVIEW圖形化編程軟件，設(shè)計(jì)Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器的方法，用于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，提高跟蹤的精度，屬于機(jī)器人控制【技術(shù)領(lǐng)域】。首先基于Delta機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，求解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，構(gòu)建末端執(zhí)行器到運(yùn)動(dòng)各軸的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；利用五次多項(xiàng)式曲線擬合各軸的運(yùn)動(dòng)路徑；由伺服電機(jī)的編碼器反饋得到的信息，經(jīng)FPGA模塊處理得到位置偏差e，輸入到模糊PI控制器內(nèi)，控制器輸出速度的脈沖信號(hào)；通過(guò)NI的PCI-7842R板卡上的FPGA模塊驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而使電機(jī)準(zhǔn)確快速地旋轉(zhuǎn)到給定位置。
【專利說(shuō)明】一種Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及Delta機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體是基于LabVIEW圖形化編程軟件，設(shè)計(jì)一 種Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，提高跟蹤的精度，屬 于機(jī)器人控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 自1962年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于生產(chǎn)線以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展、完善和成 熟，目前已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、科學(xué)探索、醫(yī)學(xué)、軍事和航天等各個(gè)領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器 人可以代替人類完成大量高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、電子產(chǎn)品制造、食品包裝、物料 的搬運(yùn)等。由于Delta機(jī)器人具備剛性強(qiáng)度大、速度快、精度高、承載能力強(qiáng)、動(dòng)負(fù)荷小、結(jié) 構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域分揀、插裝等工序中有廣泛的應(yīng)用。通過(guò)何種控制方法使Delta 機(jī)器人手臂更加快速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定地抓取物品，一直是Delta機(jī)器人的研究熱點(diǎn)。Delta機(jī)器 人控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、多輸入、多輸出、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，PI控制器處理系統(tǒng)不確定 性的能力有限，會(huì)造成控制的不準(zhǔn)確和不穩(wěn)定。模糊PI控制是根據(jù)控制規(guī)則決定控制量的 大小，其控制算法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況及操作人員的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)建立控制規(guī)則表，按照 模糊合成推理規(guī)則求出相應(yīng)的控制量，再經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試和修正，加上PI控制較好的穩(wěn)態(tài)性 能，使被控對(duì)象具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。故模糊PI控制不需要知道控制對(duì)象精確 的數(shù)學(xué)模型，從而克服了復(fù)雜系統(tǒng)無(wú)法建立確定的數(shù)學(xué)模型的缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于以LabVIEW圖形化編程軟件為平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種Delta機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，提高跟蹤的精度。
[0004] 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器技術(shù)方 案包括如下步驟：
[0005] 第一步，在立體鋼結(jié)構(gòu)支架內(nèi)安裝Delta機(jī)器人，所述的Delta機(jī)器人能夠在立體 支架內(nèi)運(yùn)動(dòng)；在鋼結(jié)構(gòu)立體支架前端安裝工業(yè)智能相機(jī)，Delta機(jī)器人下方安裝垂直于機(jī) 器人本體的傳送帶；在工業(yè)智能相機(jī)所在的位置建立相機(jī)坐標(biāo)系，在Delta機(jī)器人的靜平 臺(tái)上建立機(jī)器人的基坐標(biāo)系；在工控機(jī)上安裝NI的PCI-7842R板卡，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接板連接 到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
[0006] 第二步，當(dāng)傳送帶上有物件傳送時(shí)，工業(yè)智能相機(jī)識(shí)別物件的像素位置，并轉(zhuǎn)化到 相機(jī)坐標(biāo)系的位置，由相機(jī)坐標(biāo)系的位置通過(guò)外參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化到基于機(jī)器人基坐標(biāo)的位 置；在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)傳送帶上編碼器反饋的信息對(duì)物件的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，當(dāng)物件到 達(dá)機(jī)器人工作區(qū)域時(shí)，機(jī)器人完成將傳送帶上的物件抓取到另一固定位置。
[0007] 第三步，建立Delta機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，確定各運(yùn)動(dòng)軸位置（θ ρ Θ 2, Θ 3)與末 端執(zhí)行器位置坐標(biāo)（x，y)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即位置逆解模型。通過(guò)已知機(jī)械臂末端的位置，求解 主動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角。
[0008] 第四步，在關(guān)節(jié)空間中根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，由起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的位置、速度和加 速度，計(jì)算出預(yù)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，采用五次多項(xiàng)式插值規(guī)劃關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0009] 第五步，Delta機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)即伺服電機(jī)，由伺服電機(jī)的編碼器反饋得到伺服 電機(jī)的當(dāng)前位置信息，經(jīng)NI板卡上的FPGA模塊處理后傳送到工控機(jī)，由給定轉(zhuǎn)角位置與當(dāng) 前的角度位置得到位置偏差e，輸入到模糊PI控制器，控制器輸出速度的脈沖信號(hào)，通過(guò)NI 板卡上的FPGA模塊輸出到伺服驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)到給定位置。
[0010] 所述第二步包括如下步驟：
[0011] 2. 1、在獲取像素點(diǎn)坐標(biāo)后，需要通過(guò)標(biāo)定得到的內(nèi)外參數(shù)求取基于并聯(lián)機(jī)器人的 基坐標(biāo)。所謂相機(jī)標(biāo)定，就是根據(jù)給定的相機(jī)模型求取相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)。采用張 正友方法進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，相機(jī)坐標(biāo)系下的參數(shù)求取如下：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 提出了一種Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器設(shè)計(jì)方法，其特征是在關(guān)節(jié)空間 中，采用五次多項(xiàng)式插值規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡；采用LabVIEW的FPGA模塊和PCI-7842R模塊開發(fā) FPGA程序，定制I/O及控制硬件電路；設(shè)計(jì)模糊PI控制器，實(shí)現(xiàn)Delta機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制； 包含以下幾個(gè)步驟： (1) 建立支架安裝Delta機(jī)器人、工業(yè)智能相機(jī)、傳送帶編碼器等組件； (2) 建立工業(yè)智能相機(jī)坐標(biāo)和Delta機(jī)器人的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系； (3) 采用五次多項(xiàng)式插值規(guī)劃關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡； (4) 編寫FPGA程序并設(shè)計(jì)模糊PI控制器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器設(shè)計(jì)方法，其特征是： 所述步驟（1)中建立支架安裝Delta機(jī)器人、工業(yè)智能相機(jī)、傳送帶編碼器等組件，包含以 下步驟： 在立體支架130內(nèi)安裝四自由度Delta機(jī)器人110,所述四自由度Delta機(jī)器人110能 在立體支架130內(nèi)運(yùn)動(dòng)；在立體支架130的前端采用全局方式安裝工業(yè)智能相機(jī)100,立體 支架130內(nèi)設(shè)置傳送帶120,傳送帶120的運(yùn)動(dòng)方向垂直于四自由度Delta機(jī)器人110的運(yùn) 動(dòng)平面，工業(yè)智能相機(jī)也安裝在支架130上，傳送帶120后端安裝傳送帶編碼器140。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器設(shè)計(jì)方法，所述步驟 (2) 中建立工業(yè)智能相機(jī)坐標(biāo)和Delta機(jī)器人的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，包含以下步驟： 第一步、建立工業(yè)智能相機(jī)模型，存在：
其中，（u，V)為成像平面上的像素坐標(biāo)，（x。，y。，z。）為物件在相機(jī)坐標(biāo)系下的表示；通 過(guò)計(jì)算出矩尚
以求取物件基于相機(jī)坐標(biāo)系的位置（x。，y。，z。）； 第二步、由[x。y。z。I]' =MwIixwywzwI]'建立相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人基坐標(biāo)的關(guān)系，Mw是外參數(shù)矩陣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器設(shè)計(jì)方法，所述步驟 (3) 中機(jī)器人關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃，包含以下步驟： 第一步、獲取起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的限制條件，即起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的關(guān)節(jié)角度9〇、0f，起始 點(diǎn)和終止點(diǎn)的速度夂、<，起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的加速度4、& 第二步、由起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的限制條件，求解出五次多項(xiàng)式插值函數(shù)的各項(xiàng)系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模糊PI控制器設(shè)計(jì)方法，所述步驟 (4) 中編寫FPGA程序并設(shè)計(jì)模糊PI控制器，包含以下步驟： 由伺服電機(jī)的編碼器反饋得到伺服電機(jī)的當(dāng)前位置信息，經(jīng)NI板卡上的FPGA模塊處 理后傳送到工控機(jī)內(nèi)，將給定轉(zhuǎn)角位置與當(dāng)前的角度位置作差得到位置偏差e，輸入到模糊PI控制器內(nèi)，控制器輸出速度的脈沖信號(hào)，通過(guò)NI板卡上的FPGA模塊驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)到給定位置。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104267598SQ201410482756
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】白瑞林, 曹沁婕, 殷國(guó)亮, 梁兆瑞 申請(qǐng)人:江南大學(xué)