一種空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種航天領(lǐng)域中使用的、用于在軌操作空間機(jī)械臂的運動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用通信接口接收目標(biāo)位姿信息、遠(yuǎn)程遙控操作信息等輸入指令，進(jìn)行機(jī)械臂運動的時序控制、規(guī)劃算法解算等操作，在空間中驅(qū)動串聯(lián)型多自由度機(jī)械臂進(jìn)行運動，并向上級遙測系統(tǒng)回傳工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類探索的腳步向著更為深遠(yuǎn)的太空邁進(jìn)，以自動化和智能化為代表的無人系統(tǒng)正在代替人類成為深空探測的排頭兵。運動控制系統(tǒng)成為負(fù)責(zé)串聯(lián)型機(jī)械臂運動控制、機(jī)器人學(xué)結(jié)算、多關(guān)節(jié)協(xié)同控制率生成、分布式系統(tǒng)同步控制等設(shè)計目標(biāo)實現(xiàn)的重要組成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種適合于在軌操作空間機(jī)械臂的運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠統(tǒng)籌分布式系統(tǒng)資源，根據(jù)輸入信息，如目標(biāo)位姿信息、遠(yuǎn)程介入指令、力矩指令等，通過運動學(xué)、動力學(xué)解算，確定出合適的控制率，然后依據(jù)一定的控制帶寬，驅(qū)動多自由度串聯(lián)機(jī)械臂運動，從而為在軌作業(yè)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。
[0004]本發(fā)明的運動控制系統(tǒng)的技術(shù)特點如下:
[0005](I)能夠統(tǒng)籌管理控制一個或多個多自由度空間機(jī)械臂，具有較好的通用性和擴(kuò)展性；
[0006](2)多關(guān)節(jié)協(xié)同具有良好的實時性和同步性；
[0007](3)具備一種適用于空間應(yīng)用的運動控制架構(gòu)和具有一定容錯能力的分布式系統(tǒng)；
[0008](4)基于雙冗余CAN總線的分布式通信系統(tǒng)，具有容錯能力和較高的可靠性。
[0009](5)具有單關(guān)節(jié)故障的辨識和重構(gòu)能力。當(dāng)某關(guān)節(jié)失聯(lián)后，系統(tǒng)結(jié)果分析確定該關(guān)節(jié)失效則啟動重構(gòu)程序，利用現(xiàn)有的機(jī)械臂關(guān)節(jié)資源重新建立機(jī)械臂模型、計算規(guī)劃算法、實現(xiàn)降性能、保功能的控制輸出，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0010]此技術(shù)方案在空間技術(shù)中已有應(yīng)用，與目前現(xiàn)有的空間技術(shù)中空間機(jī)械臂的運動控制相比，本發(fā)明的綜合指標(biāo)有顯著提高。
【附圖說明】
[0011]附圖1為本申請空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中:
[0012]A電源管理單元，B運動控制器單元，C執(zhí)行單元，Al關(guān)節(jié)控制電輸出模塊，A2功率電源輸出模塊，A3運動控制電源輸出，BI 二次電源模塊，B2繼電控制模塊，B3存儲模塊。
【具體實施方式】
[0013]本申請所述的空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括電源管理單元A，用于調(diào)節(jié)各模塊的電力輸入；運動控制器單元B，用以完成信息分析運算、向執(zhí)行端發(fā)布指令；雙冗余CAN總線；以及執(zhí)行單元C，如若干關(guān)節(jié)控制器、末端執(zhí)行器控制器等。
[0014]電源管理單元A接入+28V供電電源，并包括關(guān)節(jié)控制電輸出模塊Al，功率電源輸出模塊A2，以及運動控制電源輸出A3。其中，在關(guān)節(jié)控制電輸出模塊Al和功率電源輸出模塊A2的輸出前端設(shè)置有繼電管理及保護(hù)模塊A4以實施保護(hù)。
[0015]運動控制器單元B，通過一級總線RS422與上一級控制器接口相連。運動控制器包括接收運動控制電源輸入的二次電源模塊BI，用以對電源管理單元進(jìn)行繼電保護(hù)的繼電控制模塊B2，運算處理器CPU，存儲模塊B3。運動控制器單元B通過雙冗余CAN總線與執(zhí)行單元相連。
[0016]執(zhí)行單元C，包括例如若干關(guān)節(jié)控制器、末端執(zhí)行器控制器Cl……Cn等。關(guān)節(jié)控制器包括電源模塊Cla，其包括控制電源Cla’(二次電源/控)和驅(qū)動電源Cla”(二次電源/驅(qū))；相/母線電流采集模塊cib，CPU，驅(qū)動電機(jī)Clc，以及用于收集執(zhí)行端執(zhí)行情況的溫度傳感器Cls、力矩傳感器Cls’、位置傳感器Cls”，力矩傳感器Cls’與力矩傳感調(diào)理板Cld連接。
[0017]末端執(zhí)行器控制器Cna，包括例如控制電源Cna’ ( 二次電源/控)和驅(qū)動電源Can” ( 二次電源/驅(qū))；相/母線電流采集模塊Cnb，CPU，驅(qū)動電機(jī)Cnc，以及用于收集末端執(zhí)行情況的溫度傳感器Cns、位置傳感器Cns’。
[0018]其中與執(zhí)行器控制器的力矩傳感器相連的力矩傳感器調(diào)理板是用來對彈性體輸出的微弱電壓信號進(jìn)行調(diào)理放大的組件，關(guān)節(jié)控制器給調(diào)理板提供+12V電壓，調(diào)理板經(jīng)穩(wěn)壓后給彈性體電橋供電，并接收其輸出的mV級傳感電壓信號，調(diào)理板將該弱信號放大后，轉(zhuǎn)換成±10V的電壓信號，對應(yīng)彈性體的正負(fù)滿量程。關(guān)節(jié)控制器接收該信號后對其進(jìn)行AD采集，從而得到力矩傳感信息。
[0019]其中，在執(zhí)行單元C中，關(guān)節(jié)控制器負(fù)責(zé)單關(guān)節(jié)傳感信息的采集處理、指令接收解析、狀態(tài)信息反饋、關(guān)節(jié)伺服計算、功率驅(qū)動輸出等功能。末端控制器負(fù)責(zé)末端執(zhí)行器的傳感信息采集處理、指令接收解析、狀態(tài)信息反饋、伺服計算、功率驅(qū)動輸出等功能。
[0020]該控制系統(tǒng)能夠收集匯總所有執(zhí)行端數(shù)據(jù)信息并統(tǒng)籌管控系統(tǒng)資源，并依據(jù)中央控制器CPU和傳感系統(tǒng)對機(jī)械臂的運動控制行為進(jìn)行決策和管理。
[0021]該控制系統(tǒng)實現(xiàn)的多關(guān)節(jié)協(xié)同及容錯處理控制方法，具體策略為:
[0022](I)雙冗余CAN總線控制權(quán)僅由運動控制器B擁有
[0023](2)所有的關(guān)節(jié)由運動控制器B依次編號并分配固定ID地址；
[0024](3)當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運動控制過程時，運動控制器發(fā)送當(dāng)前拍的控制指令給I號節(jié)點(關(guān)節(jié))，I號節(jié)點接收到指令后立即向運動控制器B發(fā)送回傳數(shù)據(jù)，同理，其他節(jié)點依次操作，直到和所有的節(jié)點完成指令發(fā)送和交互。
[0025](4)當(dāng)運動控制器B確定和所有的節(jié)點發(fā)生交互后，通過廣播幀的方式觸發(fā)所有節(jié)點同時執(zhí)行本拍動作，以此保證多軸同步。
[0026](5)上述(3)、(4)兩步操作必須在一個控制周期內(nèi)完成。
[0027](6)假設(shè)運動控制器給某一節(jié)點發(fā)送指令，在一定時間t內(nèi)未能收到該關(guān)節(jié)返回的握手?jǐn)?shù)據(jù)幀，則再次發(fā)送該幀數(shù)據(jù)，并總共發(fā)送3次。如果3次握手周期內(nèi)仍然未能收到握手范圍數(shù)據(jù)，則可認(rèn)為該節(jié)點失效。
[0028](7)運動控制器B如果檢測到有失效節(jié)點，則分析在該狀態(tài)下能否完成任務(wù)，如果可以則重新整合系統(tǒng)資源重新規(guī)劃。如果不行，則發(fā)出報警提示。
[0029](8)如果已經(jīng)檢測到某節(jié)點失效，運動控制器在發(fā)送分布式控制指令時仍然繼續(xù)給該節(jié)點發(fā)送指令，如果收到握手信號(3次握手均成功)，則認(rèn)為該節(jié)點從失效狀態(tài)中回復(fù)，控制器將重新整合系統(tǒng)資源并重新規(guī)劃。
【主權(quán)項】
1.一種空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)，包括電源管理單元A，用于調(diào)節(jié)各模塊的電力輸入；運動控制器單元B，用以完成信息分析運算、向執(zhí)行端發(fā)布指令；雙冗余CAN總線；以及執(zhí)行單元C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)，其中電源管理單元A接入外部+28V供電電源，并包括關(guān)節(jié)控制電輸出模塊Al，功率電源輸出模塊A2，以及運動控制電源輸出A3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)，其中，電源管理單元A的關(guān)節(jié)控制電輸出模塊Al和功率電源輸出模塊A2的輸出前端設(shè)置有繼電管理及保護(hù)模塊以實施保護(hù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)，其中運動控制器包括接收運動控制電源輸入的二次電源模塊BI，用以對電源管理單元進(jìn)行繼電保護(hù)的繼電控制模塊B2，運算處理器CPU，存儲模塊B3。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)，其中運動控制器單元B，通過一級總線RS422與上一級控制器接口相連，并通過雙冗余CAN總線與執(zhí)行單元C相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)，其中執(zhí)行單元C，包括若干關(guān)節(jié)控制器、末端執(zhí)行器控制器Cl……Cn，其中， 關(guān)節(jié)控制器包括電源模塊Cla，其包括二次電源控制電源Cla’和二次電源驅(qū)動電源Cla” ;相/母線電流采集模塊Clb，CPU，驅(qū)動電機(jī)Clc，以及用于收集執(zhí)行端執(zhí)行情況的溫度傳感器Cls、力矩傳感器Cls’、位置傳感器Cls”，力矩傳感器Cls’與力矩傳感調(diào)理板Cld連接； 末端執(zhí)行器控制器Cna，包括例如二次電源控制電源Cna’和二次電源驅(qū)動電源Can” ；相/母線電流采集模塊Cnb，CPU，驅(qū)動電機(jī)Cnc，以及用于收集末端執(zhí)行情況的溫度傳感器Cns、位置傳感器Cns ’。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的的空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)，其中，在執(zhí)行單元C中，關(guān)節(jié)控制器負(fù)責(zé)單關(guān)節(jié)傳感信息的采集處理、指令接收解析、狀態(tài)信息反饋、關(guān)節(jié)伺服計算、功率驅(qū)動輸出等功能； 末端控制器負(fù)責(zé)末端執(zhí)行器的傳感信息采集處理、指令接收解析、狀態(tài)信息反饋、伺服計算、功率驅(qū)動輸出等功能。
8.—種如權(quán)利要求1-7所述的空間機(jī)械臂運動控制系統(tǒng)的多關(guān)節(jié)協(xié)同及容錯處理控制方法: (1)雙冗余CAN總線控制權(quán)僅由運動控制器B擁有； (2)所有的關(guān)節(jié)由運動控制器B依次編號并分配固定ID地址； (3)當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運動控制過程時，運動控制器發(fā)送當(dāng)前拍的控制指令給I號節(jié)點，I號節(jié)點接收到指令后立即向運動控制器B發(fā)送回傳數(shù)據(jù)，同理，其他節(jié)點依次操作，直到和所有的節(jié)點完成指令發(fā)送和交互； (4)當(dāng)運動控制器B確定和所有的節(jié)點發(fā)生交互后，通過廣播幀的方式觸發(fā)所有節(jié)點同時執(zhí)行本拍動作，以此保證多軸同步； (5)上述(3)、(4)兩步操作必須在一個控制周期內(nèi)完成； (6)假設(shè)運動控制器給某一節(jié)點發(fā)送指令，在一定時間t內(nèi)未能收到該關(guān)節(jié)返回的握手?jǐn)?shù)據(jù)幀，則再次發(fā)送該幀數(shù)據(jù)，并總共發(fā)送3次；如果3次握手周期內(nèi)仍然未能收到握手范圍數(shù)據(jù)，則可認(rèn)為該節(jié)點失效； (7)運動控制器B如果檢測到有失效節(jié)點，則分析在該狀態(tài)下能否完成任務(wù)，如果可以則重新整合系統(tǒng)資源重新規(guī)劃；如果不行，則發(fā)出報警提示； (8)如果已經(jīng)檢測到某節(jié)點失效，運動控制器在發(fā)送分布式控制指令時仍然繼續(xù)給該節(jié)點發(fā)送指令，如果收到握手信號并3次握手均成功，則認(rèn)為該節(jié)點從失效狀態(tài)中回復(fù)，控制器將重新整合系統(tǒng)資源并重新規(guī)劃。
【專利摘要】一種在軌操作空間機(jī)械臂的運動控制系統(tǒng)及該系統(tǒng)進(jìn)行的多關(guān)節(jié)協(xié)同及容錯處理控制方法。其中該控制系統(tǒng)包括電源管理單元A，用于調(diào)節(jié)各模塊的電力輸入；運動控制器單元B，用以完成信息分析運算、向執(zhí)行端發(fā)送指令；雙冗余CAN總線；以及執(zhí)行單元C。
【IPC分類】B25J9-16
【公開號】CN104690726
【申請?zhí)枴緾N201410438948
【發(fā)明人】劉嘉宇, 仲悅, 鄧濤, 王燕波, 許劍, 周海平
【申請人】北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2014年8月29日