一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)的自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)的自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置，特別設(shè)及視 覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)在輸入信號(hào)上的改造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī) 工程、自動(dòng)控制工程W及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最高 成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。
[0003] 20世紀(jì)60年代，由于機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始研究具有視覺(jué)功能的 機(jī)器人。但在該些研究中，機(jī)器人的視覺(jué)與機(jī)器人的動(dòng)作，嚴(yán)格上講是開(kāi)環(huán)的。機(jī)器人的 視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)圖像處理，得到目標(biāo)位姿，然后根據(jù)目標(biāo)位姿，計(jì)算出機(jī)器運(yùn)動(dòng)的位姿，在整 個(gè)過(guò)程中，視覺(jué)系統(tǒng)一次性地"提供"信息，然后就不參與過(guò)程了。在1973年，有人將視覺(jué) 系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)，在該一時(shí)期把該一過(guò)程稱作視覺(jué)反饋。直到1979年，hill和 park提出了 "視覺(jué)伺服"概念。常見(jiàn)于機(jī)器人技術(shù)方面的研究。"伺服"一詞源于希臘語(yǔ) "奴隸"的意思。人們想把"伺服機(jī)構(gòu)"當(dāng)個(gè)得屯、應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號(hào)的要求而動(dòng) 作。在訊號(hào)來(lái)到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；訊號(hào)來(lái)到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)訊號(hào)消失，轉(zhuǎn)子能即 時(shí)自行停轉(zhuǎn)。由于它的"伺服"性能，因此而得名一一伺服系統(tǒng)。視覺(jué)伺服，一般指的是，通 過(guò)光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，通過(guò)圖像反饋的 信息，來(lái)讓機(jī)器系統(tǒng)對(duì)機(jī)器做進(jìn)一步控制或相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)整的行為。很明顯，視覺(jué)反饋的 含義只是從視覺(jué)信息中提取反饋信號(hào)，而視覺(jué)伺服則是包括了從視覺(jué)信號(hào)處理，到機(jī)器人 控制的全過(guò)程，所W視覺(jué)伺服比視覺(jué)反饋能更全面地反映機(jī)器人視覺(jué)和控制的有關(guān)研究?jī)?nèi) 容。
[0004] 20世紀(jì)80年W來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和攝像設(shè)備的發(fā)展，機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)的技 術(shù)問(wèn)題吸引了眾多研究人員的注意。在過(guò)去的幾年里，機(jī)器人視覺(jué)伺服無(wú)論是在理論上還 是在應(yīng)用方面都取得了很大進(jìn)展。在許多學(xué)術(shù)會(huì)議上，視覺(jué)伺服技術(shù)經(jīng)常列為會(huì)議的一個(gè) 專題。視覺(jué)伺服己逐漸發(fā)展為跨機(jī)器人、自動(dòng)控制和圖像處理等技術(shù)領(lǐng)域的一口獨(dú)立技術(shù)。
[0005] 基于視覺(jué)的機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)研究一直是各類智能機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)，但 由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，視覺(jué)伺服控制算法有待進(jìn)一步研究，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中仍存在視覺(jué) 信息處理瓶頸、適用范圍窄、系統(tǒng)造價(jià)昂貴等實(shí)際問(wèn)題。在視覺(jué)伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，都 需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，然而相機(jī)標(biāo)定是一件繁瑣且效率低的工作；同時(shí)，基于視覺(jué)伺服機(jī)械 臂控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性強(qiáng)禪合的復(fù)雜系統(tǒng)，常見(jiàn)的非線性因素的影響都會(huì)使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng) 發(fā)生變化，比如間隙特性；間隙的存在，相當(dāng)于死區(qū)的影響，降低系統(tǒng)的跟蹤精度。由于間 隙為非單值函數(shù)，對(duì)于相同的輸入值X (t)，輸出y (t)的取值還取決于i的的符號(hào)，因而受其 影響的負(fù)載系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變化劇烈。對(duì)于非線性系統(tǒng)，由于主動(dòng)輪轉(zhuǎn)向時(shí)，需要越過(guò)兩倍的齒 隙，其間不驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因而導(dǎo)致能量積累。當(dāng)主動(dòng)輪越過(guò)齒隙重新驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，積累能量的 釋放將使負(fù)載運(yùn)動(dòng)變化加劇。其間隙過(guò)大，則蓄能過(guò)多，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)自震，因此，間隙特性 嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于由視覺(jué)伺服機(jī)械臂的控制系統(tǒng)在輸入信號(hào)上受間隙非線性約 束影響而提出的一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)的自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)的自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置，包括 有視覺(jué)伺服控制器、運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、六自由度機(jī)械臂、檢測(cè)模塊、力矩反饋模塊、 速度采集模塊、位置采集模塊和視覺(jué)模塊；視覺(jué)伺服控制器由控制信號(hào)發(fā)生單元、自適應(yīng) 間隙逆模型發(fā)生裝置、自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置、通信單元、計(jì)算機(jī)控制單元組成；其特點(diǎn)在于： 視覺(jué)伺服控制器接收?qǐng)D像處理單元得到的實(shí)際圖像軌跡和期望的圖像軌跡形成的誤差信 號(hào)、力矩反饋模塊采集的力矩信號(hào)、速度采集模塊采集的速度信號(hào)、位置采集模塊采集的位 置信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算控制單元運(yùn)算，由視覺(jué)伺服控制器與視覺(jué)模塊之間的通信單元進(jìn) 行信息交換，通過(guò)自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置在線標(biāo)定相機(jī)，由自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置構(gòu)建 間隙逆并作用于控制信號(hào)，由控制信號(hào)發(fā)生單元給運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)送控制信號(hào)；運(yùn)動(dòng)控制 模塊調(diào)制PWM波于驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)；由檢測(cè)模塊檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊 中的電機(jī)電流、速度、和位置信息，并反饋到運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；視覺(jué)模塊采集六 自由度機(jī)械臂末端特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)并反饋于控制器的輸入，形成帶間隙非線性約束的視 覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
[0008] 上述的一種帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于：裝置包含間 隙逆模型模塊、自適應(yīng)模塊、運(yùn)算模塊；間隙逆模塊包含與通信單元進(jìn)行信息傳遞的參數(shù)存 儲(chǔ)器、放大電路、壓電驅(qū)動(dòng)、邏輯電路、發(fā)生電路；自適應(yīng)模塊包含自適應(yīng)律存儲(chǔ)器、間隙參 數(shù)調(diào)整存儲(chǔ)器、間隙參數(shù)初始值存儲(chǔ)器；運(yùn)算模塊包含運(yùn)算存儲(chǔ)器、積分模塊、微分模塊、加 減運(yùn)算模塊、乘除運(yùn)算模塊和運(yùn)算存儲(chǔ)器。
[0009] 上述的一種帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于：驅(qū)動(dòng)模塊中 的電機(jī)輸出力矩，經(jīng)過(guò)力矩反饋模塊和通過(guò)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，然后力矩反饋模塊、 速度采集模塊、位置采集模塊分別將采集到的信息反饋到計(jì)算機(jī)運(yùn)算控制單元中，經(jīng)過(guò)自 適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置的逆作用，再經(jīng)由控制信號(hào)發(fā)生單元傳遞到運(yùn)動(dòng)控制模塊和驅(qū)動(dòng) 模塊中，通過(guò)自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置的逆作用，從而消除間隙約束的影響，提高系統(tǒng)的 圖像跟蹤精度。
[0010] 上述的一種帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)，用來(lái)抵消間隙約束的平滑 逆模型可W表示如下：
[0011]
[001引式中T+(t)和T_是逆模型的輸入和輸出，t的是輸入力矩T+(t)的導(dǎo)數(shù)。其中
1是一個(gè)確定的常量。關(guān)于巧、巧有 W下幾個(gè)性質(zhì)：
[001引 1)對(duì)任意的。0，巧_儀的)+巧片+的)=1。。對(duì)任意的。0，I巧片+腳)|含1和 巧片+的)|書(shū)1。
[0014]如片+ (嘴和巧片+的)都是連續(xù)并且可微的。
[00巧]4)當(dāng) 時(shí)，巧_儀）^0;當(dāng)f+^oo時(shí)，田,片+)~^1;
[001引當(dāng)時(shí)，巧片+)一 1;當(dāng)t->00時(shí)，巧片）^0。
[0017]上述的一種帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)，由于間隙模型的參數(shù)都是 假設(shè)未知的，所Wc、Bf、Bi的值也都是未知的。為了能在平滑模型中區(qū)分估算的逆模型，故 把未知模型的輸出和輸入表示成1_和f;因此，了_可^設(shè)計(jì)成為：
[0018]
[001引其中a,成，a馬分別是C，cBr，cBi的預(yù)估參數(shù)向量，故上式可W轉(zhuǎn)化為如下形 式：
[0020]
[0021] 上述的一種帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于：自適應(yīng)模塊 中的自適應(yīng)律存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了自適應(yīng)律的編程代碼，用數(shù)學(xué)形式可W表達(dá)為：
[0022]
[002引其中式為間隙逆模型的預(yù)估參數(shù)向量4的導(dǎo)數(shù)，且。=片成，讀]r，r;是一個(gè) 3又3的正定對(duì)稱矩陣，^^ =片，-初,巧，-巧巧了，朵是一個(gè)共同速度值。參數(shù)由參數(shù)存儲(chǔ)器 通過(guò)間隙參數(shù)調(diào)整存儲(chǔ)器傳遞到自適應(yīng)律存儲(chǔ)器中；在系統(tǒng)運(yùn)行初期，由間隙參數(shù)初始值 存儲(chǔ)器將初始信息傳遞到運(yùn)算存儲(chǔ)器中；在系統(tǒng)運(yùn)行后，由自適應(yīng)律存儲(chǔ)器和間隙參數(shù)調(diào) 整存儲(chǔ)器將要進(jìn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)傳遞到運(yùn)算存儲(chǔ)器中。
[0024]上述的一種帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于：檢測(cè)模塊實(shí) 現(xiàn)檢測(cè)并提供S閉環(huán)控制的閉環(huán)反饋信號(hào)，包含犯P電路和頻率測(cè)量電路、光電編碼器、A/ D轉(zhuǎn)換器、電流傳感器；電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)傳輸給犯P電路和頻率測(cè) 量電路，脈沖信號(hào)經(jīng)犯P電路處理得到位置反饋信號(hào)，并傳送給運(yùn)動(dòng)控制模塊中的位置控 制環(huán)，脈沖信號(hào)經(jīng)頻率測(cè)量電路處理，得到速度反饋信號(hào)，并傳送給運(yùn)動(dòng)控制模塊中的速度 控制模塊，電流傳感器檢測(cè)電機(jī)繞組電流，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器得到其數(shù)字電流信號(hào)，再將其 傳送給運(yùn)動(dòng)控制模塊中的電流控制環(huán)。
[00巧]上述的一種帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于：六自由度機(jī) 械臂在末端標(biāo)記多個(gè)可W由相機(jī)單元拍攝、圖像處理單元檢測(cè)到的特征點(diǎn)，該特征點(diǎn)的圖 像坐標(biāo)由視覺(jué)模塊得到。
[0026]本發(fā)明采用手眼分離的視覺(jué)伺服機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，即相機(jī)安裝在便于觀察機(jī)械臂末端 特征點(diǎn)的固定位置，通過(guò)拍照將圖像傳遞到圖像處理單元提取出特征點(diǎn)的圖像軌跡。另外 充分考慮到相機(jī)的問(wèn)題，通過(guò)自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置在線預(yù)估視覺(jué)模型，減少了標(biāo)定相機(jī)產(chǎn) 生的繁復(fù)工作量。同時(shí)本發(fā)明也充分考慮到機(jī)械臂系統(tǒng)在面臨失去非線性約束輸入的情況 下，利用自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置消除間隙非線性約束，采取的自適應(yīng)律可w有效建立 對(duì)應(yīng)的間隙逆模型。實(shí)驗(yàn)證明該種方法達(dá)到了很好的效果，本發(fā)明是一種性能優(yōu)良，易于在 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上搭建的自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)的總體框圖；
[0028] 圖2自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置原理圖；
[0029] 圖3手眼分離視覺(jué)伺服物理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖4構(gòu)建的逆間隙模型W及輸入力矩通過(guò)的間隙非線性示意圖；
[0031] 圖5視覺(jué)伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)的控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 本發(fā)明設(shè)及一種視覺(jué)伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)的間隙逆模型發(fā)生裝置，利用設(shè)計(jì)的自 適應(yīng)律在線預(yù)估間隙非線性約束的模型參數(shù)，然后再構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的間隙逆模型，能有效的 消除在輸入信號(hào)約束下的視覺(jué)伺服控制機(jī)械臂，使其末端特征點(diǎn)在圖像平面上漸進(jìn)跟蹤期 望的圖像軌跡，達(dá)到較高的圖像跟蹤精度。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的視 覺(jué)伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)的間隙逆模型發(fā)生裝置進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0033] 圖1為帶間隙非線性約束的視覺(jué)伺服機(jī)械臂系統(tǒng)總體框圖。在圖1中設(shè)計(jì)視覺(jué)伺 服控制器的目的是；在相機(jī)為標(biāo)定W及機(jī)械臂輸入力矩受非線性約束的情況下，控制機(jī)械 臂的運(yùn)動(dòng)使機(jī)械臂末端上的特征點(diǎn)在圖像平面上的投影能夠跟蹤給定的期望圖像軌跡。視 覺(jué)伺服控制器1接收?qǐng)D像處理單元93得到的實(shí)際圖像軌跡和期望圖像軌跡形成速度誤差 信號(hào)、由位置采集模塊8采集的位置信號(hào)、由速度采集模塊7采集的速度信號(hào)、由力矩反饋 模塊6采集的力矩信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制單元15運(yùn)算，由視覺(jué)伺服控制器1與視覺(jué)模塊9 之間的通信單元91、11進(jìn)行信息交換，然后通過(guò)自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置12在線標(biāo)定相機(jī)，由 自適應(yīng)間隙逆模型發(fā)生裝置13構(gòu)建間隙逆并作用于控制信號(hào)發(fā)生單元14,由