專利名稱：一種欠驅(qū)動機械臂控制裝置及控制方法
一種欠驅(qū)動機械臂控制裝置及控制方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于自動控制領(lǐng)域，特別涉及一種欠驅(qū)動機械臂裝置及控制方法。
技術(shù)背景
隨著控制理論技術(shù)和工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，控制理論研究人員需要對復(fù)雜被控對象進行先進的、智能的控制算法研究，從而提高工業(yè)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和操作精度。為了避免資源浪費和安全隱患等不良后果，復(fù)雜控制算法需要首先在實驗系統(tǒng)上進行有效性驗證后，才能應(yīng)用到實際工業(yè)過程中。因此，實驗系統(tǒng)對復(fù)雜控制方法在實際工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用起到至關(guān)重要的作用。
目前的欠驅(qū)動臂機械控制裝置，采用計算機與板卡直接相連的方式，受到接線方式的限制，無法實現(xiàn)遠程控制，也無法實現(xiàn)多臺計算機共同控制一臺設(shè)備，導(dǎo)致實驗室的組建成本過高，造成資源的浪費。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有裝置及方法的不足，本發(fā)明提出一種欠驅(qū)動機械臂控制裝置及控制方法，以達到實時遠程控制、節(jié)約成本的目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的包括上位機、AD采集卡、調(diào)理模塊，調(diào)理模塊包括信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)IO調(diào)理電路、AD信號采樣調(diào)理電路，所述控制裝置還包括嵌入式單板機、計數(shù)采集卡、驅(qū)動接口模塊和被控對象模塊，所述的調(diào)理模塊還包括編碼器輸入調(diào)理電路、PWM輸出調(diào)理電路，驅(qū)動接口模塊由電機驅(qū)動接口電路組成，所述的被控對象模塊包括編碼器、電機、主動臂和欠驅(qū)動臂，其連接關(guān)系如下上位機的網(wǎng)卡輸入輸出端連接嵌入式單板機的網(wǎng)卡輸入輸出端，嵌入式單板機的第一輸入輸出端連接計數(shù)采集卡的輸入輸出端，嵌入式單板機的第二輸入輸出端連接AD采集卡的第一輸入輸出端，計數(shù)采集卡的第一輸入端連接第一信號調(diào)理電路的輸出端，計數(shù)采集卡的第二輸入端連接第二信號調(diào)理電路的輸出端，第一信號調(diào)理電路的輸入端連接編碼器輸入調(diào)理電路的第一輸出端，第二信號調(diào)理電路的輸入端連接編碼器輸入調(diào)理電路的第二輸出端，計數(shù)采集卡的輸出端連接 PWM輸出調(diào)理電路的第一輸入端，AD采集卡的輸出端連接PWM輸出調(diào)理電路的第二輸入端， AD采集卡的第二輸入輸出端連接數(shù)字IO調(diào)理電路的輸入輸出端，AD采集卡的輸入端連接 AD信號采樣調(diào)理電路的輸出端，PWM輸出調(diào)理電路的第一輸出端連接第一電機驅(qū)動接口電路的輸入端，PWM輸出調(diào)理電路的第二輸出端連接第二電機驅(qū)動接口電路的輸入端；編碼器輸入調(diào)理電路的第一輸入端連接第二編碼器的輸出端，編碼器輸入調(diào)理電路的第二輸入端連接第一編碼器的輸出端，電機驅(qū)動接口電路的輸出端連接電機的輸入端；
所述的被控對象模塊，其連接關(guān)系為電機固定在電機基座上，電機軸的一端連接主動臂的一端，電機軸的另一端連接第一編碼器，所述的主動臂與欠驅(qū)動臂通過軸承連接， 在所述軸承的一端連接所述主動臂的另一端，在所述軸承的另一端連接第二編碼器；
本發(fā)明的信號傳遞過程如下嵌入式單板機產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)計數(shù)采集卡傳遞給PWM輸出調(diào)理電路，由PWM輸出調(diào)理電路產(chǎn)生脈沖給電機驅(qū)動接ロ電路，由電機驅(qū)動接ロ電 路驅(qū)動被控對象的電機啟動，電機啟動后，會帶動主動臂及欠驅(qū)動臂運動，此時，主動臂與 欠驅(qū)動臂之間產(chǎn)生夾角，由編碼器產(chǎn)生脈沖信號，輸送給調(diào)理模塊，調(diào)理模塊對所述脈沖信 號進行處理后輸送給計數(shù)采集卡，計數(shù)采集卡將所述脈沖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳遞給嵌 入式單板機，由嵌入式單板機根據(jù)該數(shù)字信號值發(fā)出第二輪控制命令，進而調(diào)節(jié)被控對象 電機的轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明ー種欠驅(qū)動機械臂控制裝置的控制方法，包括以下步驟步驟1 欠驅(qū)動機械臂控制裝置發(fā)出電壓信號，啟動欠驅(qū)動機械臂的電機，此時， 欠驅(qū)動機械臂靜止于初始位置，所述的初始位置是指主動臂豎直向下，欠驅(qū)動臂與主動臂 成順時針180°角；步驟2 欠驅(qū)動機械臂的電機帶動主動臂和欠驅(qū)動臂擺起，至非完全豎直平衡位 置，此時欠驅(qū)動機械臂的電機所需轉(zhuǎn)矩按照如下公式計算
權(quán)利要求
1.一種欠驅(qū)動機械臂控制裝置，包括上位機、AD采集卡、調(diào)理模塊，調(diào)理模塊包括信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)IO調(diào)理電路、AD信號采樣調(diào)理電路，其特征在于所述控制裝置還包括嵌入式單板機、計數(shù)采集卡、驅(qū)動接口模塊和被控對象模塊，所述的調(diào)理模塊還包括編碼器輸入調(diào)理電路、PWM輸出調(diào)理電路，驅(qū)動接口模塊由電機驅(qū)動接口電路組成，所述的被控對象模塊包括編碼器、電機、主動臂和欠驅(qū)動臂，其連接關(guān)系如下上位機的網(wǎng)卡輸入輸出端連接嵌入式單板機的網(wǎng)卡輸入輸出端，嵌入式單板機的第一輸入輸出端連接計數(shù)采集卡的輸入輸出端，嵌入式單板機的第二輸入輸出端連接AD采集卡的第一輸入輸出端，計數(shù)采集卡的第一輸入端連接第一信號調(diào)理電路的輸出端，計數(shù)采集卡的第二輸入端連接第二信號調(diào)理電路的輸出端，第一信號調(diào)理電路的輸入端連接編碼器輸入調(diào)理電路的第一輸出端，第二信號調(diào)理電路的輸入端連接編碼器輸入調(diào)理電路的第二輸出端，計數(shù)采集卡的輸出端連接PWM輸出調(diào)理電路的第一輸入端，AD采集卡的輸出端連接PWM輸出調(diào)理電路的第二輸入端，AD采集卡的第二輸入輸出端連接數(shù)字IO調(diào)理電路的輸入輸出端，AD采集卡的輸入端連接AD信號采樣調(diào)理電路的輸出端，PWM輸出調(diào)理電路的第一輸出端連接第一電機驅(qū)動接口電路的輸入端，PWM輸出調(diào)理電路的第二輸出端連接第二電機驅(qū)動接口電路的輸入端；編碼器輸入調(diào)理電路的第一輸入端連接第二編碼器的輸出端，編碼器輸入調(diào)理電路的第二輸入端連接第一編碼器的輸出端，電機驅(qū)動接口電路的輸出端連接電機的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動機械臂控制裝置，其特征在于所述的被控對象模塊， 電機固定在電機基座上，電機軸的一端連接主動臂的一端，電機軸的另一端連接第一編碼器，所述的主動臂與欠驅(qū)動臂通過軸承連接，在所述軸承的一端連接所述主動臂的另一端， 在所述軸承的另一端連接第二編碼器。
3.采用權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動機械臂控制裝置的控制方法，其特征在于包括以下步驟步驟1 欠驅(qū)動機械臂控制裝置發(fā)出電壓信號，啟動欠驅(qū)動機械臂的電機，此時，欠驅(qū)動機械臂靜止于初始位置，所述的初始位置是指主動臂豎直向下，欠驅(qū)動臂與主動臂成順時針180°角；步驟2 調(diào)節(jié)欠驅(qū)動機械臂的電機轉(zhuǎn)矩，使欠驅(qū)動機械臂的電機帶動主動臂和欠驅(qū)動臂擺起，至非完全豎直平衡位置，所述的非完全豎直平衡位置是指主動臂與豎直向下方向逆時針成Cil角，欠驅(qū)動臂豎直向上，所述的Q1角的范圍為135° 225° ；步驟3 通過編碼器反饋的角度值判斷欠驅(qū)動臂是否偏離預(yù)定的非完全豎直平衡位置，如偏離，則調(diào)整欠驅(qū)動機械臂的電機轉(zhuǎn)矩，使欠驅(qū)動臂回到預(yù)定平衡位置，并保持維持該狀態(tài)，所述的欠驅(qū)動機械臂的電機所需的轉(zhuǎn)矩為rΣ Λ (zKKx+A w)U =違--ΣΛ·ω/=1其中π XMLi = Γ-Ki Π,Π = — ' Γ = —WW式中，U表示欠驅(qū)動機械臂的驅(qū)動電機對擺臂的轉(zhuǎn)矩輸入；X表示欠驅(qū)動機械臂擺臂的角度和角速度狀態(tài)量；W表示欠驅(qū)動機械臂非完全豎直平衡位置的參考角度信號；Ki表示欠驅(qū)動機械臂非完全豎直平衡控制調(diào)節(jié)律的狀態(tài)反饋增益系數(shù)；Li表示欠驅(qū)動機械臂非完全豎直平衡位置的參考角度信號權(quán)重調(diào)節(jié)系數(shù)；r表示非完全豎直平衡控制調(diào)節(jié)律的規(guī)則個數(shù)；λ i表示非完全豎直平衡控制調(diào)節(jié)律的隸屬度函數(shù)；ζ表示非完全豎直平衡控制調(diào)節(jié)律的條件變量集合；步驟4:按步驟3計算出的欠驅(qū)動機械臂的電機轉(zhuǎn)矩調(diào)整電機，使擺臂調(diào)整回預(yù)定的非完全豎直平衡位置，所述的預(yù)定的非完全豎直平衡位置由使用者自行設(shè)定，主動臂與豎直向下方向逆時針所呈夾角為135° 225°，且欠驅(qū)動臂豎直向上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的欠驅(qū)動機械臂控制裝置的控制方法，其特征在于步驟2所述的欠驅(qū)動機械臂電機所需轉(zhuǎn)矩，按照如下公式計算
全文摘要
一種欠驅(qū)動機械臂控制裝置及控制方法，屬于自動控制領(lǐng)域，過程為欠驅(qū)動機械臂控制裝置發(fā)出電壓信號，啟動欠驅(qū)動機械臂電機；欠驅(qū)動機械臂的電機帶動主動臂和欠驅(qū)動臂擺起，至非完全豎直平衡位置；通過編碼器反饋的角度值判斷欠驅(qū)動臂是否偏離預(yù)定的非完全豎直平衡位置，如偏離，則調(diào)整欠驅(qū)動臂回到預(yù)定平衡位置，并保持維持該狀態(tài)按計算出的欠驅(qū)動機械臂的電機轉(zhuǎn)矩調(diào)整電機，使擺臂調(diào)整回預(yù)定的非完全豎直平衡位置，本發(fā)明實現(xiàn)了上位機與嵌入式單板機的Internet連接，其通訊便捷且接口豐富，實現(xiàn)了對被控對象的實時控制，且支持多種語言編譯。
文檔編號B25J13/00GK102501250SQ20111032996
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者侯俊, 方正, 李丹, 王宏, 王良勇, 趙晨, 趙鋒 申請人:東北大學(xué), 寧波東大自動化智能技術(shù)有限公司