機(jī)械臂位置粗精復(fù)合閉環(huán)控制方法
【專利摘要】發(fā)明了一種由3個(gè)滑移關(guān)節(jié)構(gòu)成的機(jī)械臂位置精控制機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)安裝在傳統(tǒng)機(jī)械臂末端。由于其臂桿較短，因此具有較高的定位精度。與該機(jī)構(gòu)靠近末端的滑移關(guān)節(jié)固連的兩個(gè)CCD相機(jī)探測被抓取物體，并計(jì)算被抓取物體相對(duì)于末端的位置誤差。使用中，傳統(tǒng)機(jī)械臂根據(jù)被抓取物體的位置調(diào)整各關(guān)節(jié)的角度，與位置精控制機(jī)構(gòu)靠近末端的滑移關(guān)節(jié)固連的兩個(gè)CCD相機(jī)拍攝被抓取物體的圖像，并計(jì)算定位誤差，位置精控制機(jī)構(gòu)根據(jù)定位誤差實(shí)施精確控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于立體視覺的機(jī)械臂末端位置的粗精復(fù)合閉環(huán)控制。
【專利說明】機(jī)械臂位置粗精復(fù)合閉環(huán)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)械臂位置粗精復(fù)合閉環(huán)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間機(jī)械臂作為航天器的一種重要工具，可用于衛(wèi)星的回收和維修、大型設(shè)備的組裝、空間站的在軌建設(shè)、以及作為航天員出艙的輔助平臺(tái)，提高安全性及艙外工作能力等。隨著空間探索的不斷深入，空間機(jī)械臂在未來的空間活動(dòng)中將扮演更加重要的角色。由于空間機(jī)械臂的桿件較長，比如加拿大為國際空間站研制的巨型機(jī)械臂，其長度達(dá)19m ;用于協(xié)助安裝該巨型機(jī)械臂的小型機(jī)械臂，其桿件長度也達(dá)到15m。由于關(guān)節(jié)位于所控制桿件的始端，關(guān)節(jié)處微小的角位移誤差，經(jīng)桿件放大后就會(huì)造成機(jī)械臂末端較大的定位誤差。以15m長的桿件為例，若關(guān)節(jié)角位移的控制誤差為lo，末端的定位誤差將達(dá)到0.2617m!如此巨大的定位誤差，要完成精細(xì)的維修、組裝和交會(huì)對(duì)接等任務(wù)顯然是不可能的。
[0003]閉環(huán)反饋控制是一種很好的提高控制精度的方法，但對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)，由于無法直接獲取末端執(zhí)行器的位姿，一般是通過測量各關(guān)節(jié)角度，間接計(jì)算末端執(zhí)行器的位姿，以實(shí)現(xiàn)反饋控制。由于反饋信息取自各個(gè)關(guān)節(jié)，而不是末端執(zhí)行器，這種反饋控制實(shí)際上屬于半閉環(huán)反饋控制，無法克服由于機(jī)械嚙合松動(dòng)等問題帶來的控制誤差。其實(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械臂，即使能夠直接獲取末端執(zhí)行器的位姿，由于存在齒隙等因素導(dǎo)致的機(jī)械嚙合松動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)末端執(zhí)行器的精確控制也是不可能的。因此要提高機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位姿，首先要直接獲取末端執(zhí)行器的位姿，其次是需要引進(jìn)一種能夠精確消除位姿誤差的機(jī)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明了一種由3個(gè)滑移關(guān)節(jié)構(gòu)成的機(jī)械臂位置精控制機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)安裝在傳統(tǒng)機(jī)械臂末端。由于其臂桿較短，因此具有較高的定位精度。與該機(jī)構(gòu)靠近末端的滑移關(guān)節(jié)固連的兩個(gè)CCD相機(jī)探測被抓取物體，并計(jì)算被抓取物體相對(duì)于末端的位置誤差。使用中，傳統(tǒng)機(jī)械臂根據(jù)被抓取物體的位置調(diào)整各關(guān)節(jié)的角度，與位置精控制機(jī)構(gòu)靠近末端的滑移關(guān)節(jié)固連的兩個(gè)CCD相機(jī)拍攝被抓取物體的圖像，并計(jì)算定位誤差，位置精控制機(jī)構(gòu)根據(jù)定位誤差實(shí)施精確控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于立體視覺的機(jī)械臂末端位置的粗精復(fù)合閉環(huán)控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是機(jī)械臂位置精控制機(jī)構(gòu)外觀圖，圖2是機(jī)械臂位置精控制機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0006]標(biāo)號(hào)說明:I平行滑移關(guān)節(jié)，2垂直滑移關(guān)節(jié)，3末端執(zhí)行器，4CXD相機(jī)，5基座，6平行滑移關(guān)節(jié)殼體，7螺桿，8垂直滑移關(guān)節(jié)殼體，9滑動(dòng)塊，10內(nèi)螺紋桿，11電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】[0007]在傳統(tǒng)的機(jī)械臂末端增加精控制機(jī)構(gòu)之后，整個(gè)機(jī)構(gòu)可分為兩部分，一部分是用于實(shí)現(xiàn)末端位置粗控制的機(jī)械臂，即傳統(tǒng)機(jī)械臂，稱為粗控制機(jī)械臂，另一部分是位置精控制機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)末端位置精準(zhǔn)控制。
[0008]1.位置精控制機(jī)構(gòu)的組成
[0009]如圖1所示，位置精控制機(jī)構(gòu)由3個(gè)滑移關(guān)節(jié)組成，其中一個(gè)是平行滑移關(guān)節(jié)(I)，即伸縮桿，另外2個(gè)是結(jié)構(gòu)完全一樣的垂直滑移關(guān)節(jié)(2)。
[0010]如圖2所示，平行滑移關(guān)節(jié)(I)的平行滑移關(guān)節(jié)殼體(6)是一個(gè)空心圓柱，一端安裝電機(jī)(11)，電機(jī)(11)的軸與一根螺桿⑵連接，螺桿(7)與內(nèi)螺紋桿(10)嚙合，內(nèi)螺紋桿(10)從平行滑移關(guān)節(jié)殼體(6)底部伸出，連接到第一個(gè)垂直滑移關(guān)節(jié)(2)的基座(5)上。
[0011]垂直滑移關(guān)節(jié)(2)的殼體(8)是一個(gè)側(cè)面開槽的空心圓柱，圓柱一端安裝電機(jī)[11]，電機(jī)(11)的軸與螺桿(7)連接，螺桿(7)的另一端插入安裝在垂直滑移關(guān)節(jié)殼體(8)另一端底面上的軸承內(nèi)?；瑒?dòng)塊(9)由兩個(gè)相交成90°的圓柱構(gòu)成，其中一個(gè)圓柱帶內(nèi)螺紋，并與螺桿(7)嚙合，另一實(shí)心圓柱伸出垂直滑移關(guān)節(jié)殼體(8)，連接到第二個(gè)垂直滑移關(guān)節(jié)⑵的基座(5)上。第二個(gè)垂直滑移關(guān)節(jié)(2)的滑動(dòng)塊(9)上的實(shí)心圓柱與末端執(zhí)行器⑶連接。
[0012]電機(jī)(11)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。
[0013]兩個(gè)CCD相機(jī)(4)安裝在位置精控制機(jī)構(gòu)靠近末端的垂直滑移關(guān)節(jié)(2)的殼體
(8)上，它們的光軸與末端執(zhí)行器(3)的對(duì)稱軸平行。
[0014]2.位置精控制機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系及被抓取物體的質(zhì)心的坐標(biāo)
[0015]以兩個(gè)CCD相機(jī)(4)的公共相平面與末端執(zhí)行器(3)的對(duì)稱軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)，以兩個(gè)CCD相機(jī)(4)的光軸與公共相平面的交點(diǎn)的連線為X軸(正向?yàn)橛?，以公共相平面內(nèi)經(jīng)過原點(diǎn)并與X軸垂直的向上方向?yàn)閥軸，以末端執(zhí)行器(3)的對(duì)稱軸為z軸建立測量坐標(biāo)系。兩個(gè)CCD相機(jī)的相面坐標(biāo)系的橫軸和縱軸分別與X軸和y軸平行，原點(diǎn)位于光軸與相平面的交點(diǎn)。
[0016]以f表示兩個(gè)探測器的焦距，I表示兩個(gè)探測器的像素長度。設(shè)被抓取物體的質(zhì)心A在測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為A (X，y，z)，在兩個(gè)相面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為A On1，H1)和A (m2,n2)，其中ImiI, IniIa=I, 2)分別為橫、縱方向上的像素個(gè)數(shù)，則由小孔成像原理知
【權(quán)利要求】
1.一種機(jī)械臂位置粗精復(fù)合閉環(huán)控制方法，其特征在于:在傳統(tǒng)的機(jī)械臂末端加裝了位置精控制機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由3個(gè)滑移關(guān)節(jié)組成，其中一個(gè)是平行滑移關(guān)節(jié)(1)，即伸縮桿，另外2個(gè)是結(jié)構(gòu)完全一樣的垂直滑移關(guān)節(jié)(2);平行滑移關(guān)節(jié)(I)的殼體(6)是一個(gè)空心圓柱，一端安裝電機(jī)(11)，電機(jī)(11)的軸與一根螺桿(7)連接，螺桿(7)與內(nèi)螺紋桿(10)嚙合，內(nèi)螺紋桿(10)從平行滑移關(guān)節(jié)殼體(6)底部伸出，連接到第一個(gè)垂直滑移關(guān)節(jié)(2)的基座(5)上；垂直滑移關(guān)節(jié)(2)的殼體(8)是一個(gè)側(cè)面開槽的空心圓柱，圓柱一端安裝電機(jī)(11)，電機(jī)(11)的軸與螺桿(7)連接，螺桿(7)的另一端插入安裝在垂直滑移關(guān)節(jié)殼體(8)另一端底面上的軸承內(nèi)，滑動(dòng)塊(9)由兩個(gè)相交成90°的圓柱構(gòu)成，其中一個(gè)圓柱帶內(nèi)螺紋，并與螺桿(7)嚙合，另一實(shí)心圓柱伸出垂直滑移關(guān)節(jié)殼體(8)，連接到第二個(gè)垂直滑移關(guān)節(jié)⑵的基座(5)上；第二個(gè)垂直滑移關(guān)節(jié)(2)的滑動(dòng)塊(9)上的實(shí)心圓柱與末端執(zhí)行器(3)連接；電機(jī)(11)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)；兩個(gè)CCD相機(jī)(4)安裝在位置精控制機(jī)構(gòu)靠近末端的垂直滑移關(guān)節(jié)(2)的殼體(8)上，它們的光軸與末端執(zhí)行器(3)的對(duì)稱軸平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置精控制機(jī)構(gòu)，其特征在于以兩個(gè)CCD相機(jī)(4)的公共相平面與末端執(zhí)行器(3)的對(duì)稱軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)，以兩個(gè)CCD相機(jī)(4)的光軸與公共相平面的交點(diǎn)的連線為X軸(正向?yàn)橛?，以公共相平面內(nèi)經(jīng)過原點(diǎn)并與X軸垂直的向上方向?yàn)閥軸，以末端執(zhí)行器(3)的對(duì)稱軸為z軸建立測量坐標(biāo)系；兩個(gè)CCD相機(jī)的相面坐標(biāo)系的橫軸和縱軸分別與X軸和I軸平行，原點(diǎn)位于光軸與相平面的交點(diǎn)；以f表示兩個(gè)探測器的焦距，I表示兩個(gè)探測器的像素長度。設(shè)被抓取物體的質(zhì)心A在測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為A(x，1，Z)，在兩個(gè)相面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為AOiI1, II1)和A(m2, n2),其中Imi |, Ini | (i=l,2)分別為橫、縱方向上的像素個(gè)數(shù)，則由小孔成像原理知
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械臂位置粗精復(fù)合閉環(huán)控制方法，其特征在于在位置精控制機(jī)構(gòu)中，平行滑移關(guān)節(jié)(I)的初始位置為內(nèi)螺桿(10)處于縮回狀態(tài)，兩個(gè)垂直滑移關(guān)節(jié) (2)的初始位置為滑動(dòng)塊(9)處于螺桿的中間位置；當(dāng)粗控制的機(jī)械臂依據(jù)被抓取物體的位置完成各個(gè)關(guān)節(jié)角的位移之后，位置精控制機(jī)構(gòu)上的兩個(gè)CCD相機(jī)拍攝被抓取物體的圖像，并按照上述公式計(jì)算被抓取物體的質(zhì)心在測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X，1，z)(度量單位為mm);假定3個(gè)滑移關(guān)節(jié)中螺桿的螺距都是L(mm)，則末端一個(gè)垂直滑移關(guān)節(jié)(2)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為(
【文檔編號(hào)】B25J18/02GK103753586SQ201410043410
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月25日
【發(fā)明者】安凱, 王曉英, 安培亮, 安宏亮 申請(qǐng)人:安凱