一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法

摘要

本发明公开了一种五自由度混联机器人中并联机构控制器参数自适应调整实现方法，包括以下步骤：(1)构建节点坐标序列；(2)构建节点控制器参数序列；(3)控制器参数在线估计与调整；本发明的有益效果是：本发明方法采用离线整定获得节点控制器参数序列，在线估计参考点位于任意点时驱动关节电机控制器参数的策略。控制器参数估算算法简单，占用硬件资源少，且与伺服控制算法相互独立，可在保证伺服控制稳定的前提下，实现控制器参数的自适应调整。

说明书

技术领域

本发明涉及一种五自由度混联机器人实现在其工作空间内的高速、高精度运动控制方法，尤其涉及五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法。

背景技术

对于含有并联机构的混联机器人系统，折算到并联机构驱动关节的负载惯量和外界扰动相互耦合，且随位形变化。采用固定增益控制器难于满足这类机器人在工作空间中高速、高精度运动的要求，制约了其在运动精度要求较高(如机械加工)场合的应用。

针对机器人系统强非线性和时变的特点，目前已提出诸如模糊逻辑、神经网络及遗传算法等智能控制算法，但对于含有并联机构的机器人系统，这些算法大多难以付诸实际应用。例如，模糊控制虽无需精确的数学模型，鲁棒性强，容错能力高，语言规则简单，但由于折算到并联机构驱动关节的负载惯量和外界扰动是相互耦合的，故难以制定可靠的模糊规则和隶属度函数。又如，神经网络与遗传算法计算量大，且缺乏硬件支持，故难于满足在线自适应控制的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种算法简单、占用硬件资源少、更新速度快、实时性好，具有良好的运动控制精度的一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种五自由度混联机器人中并联机构控制器参数自适应调整实现方法，包括以下步骤：

(1)构建节点坐标序列，具体步骤为：

根据含位置型三自由度并联机构的五自由度混联机器人的并联机构动平台参考点P的工作空间对称性，选取参考点的工作空间的中点P₁及以参考点的工作空间的中平面为对称面，在所述的中平面的两侧的参考点的工作空间范围内对称选取2p个点共同作为节点，给全部节点设定编号并且记录每一个编号对应的节点在机器人坐标系下的坐标，构成节点坐标序列，所述的p为正整数；

(2)构建节点控制器参数序列，具体步骤为：

(a)令参考点P运动至参考点的工作空间的中点P₁处，依次整定并联机构三个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的控制器参数按节点编号记录；

(b)令参考点P依次运动至中平面一侧的各个节点处，依次整定并联机构各个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的参数按节点编号记录；

(c)以驱动关节与静平台相连的铰链位于参考点工作空间中平面内的驱动关节的电机为1号电机，中平面左右两侧对称分布的电机分别为2、3号电机，依据参考点工作空间的面对称性以及所述并联机构在工作空间内的位形变化关于中平面对称的特点，2、3号电机的控制器参数也具有对称性，在得到中平面一侧各个节点处的整定结果后，动平台参考点位于另一侧任意节点处时2号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的3号驱动关节电机的控制器参数，3号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的2号驱动关节电机的控制器参数，1号驱动关节电机的控制器参数不变，得到参考点位于中平面另外一侧节点处时各个驱动关节电机的控制器参数；

(d)由所述的步骤(a)、(b)和(c)中得到的各个节点处的驱动关节电机控制器的参数形成节点控制器参数序列；

(e)将各个节点的坐标定义为全局变量并写入节点坐标序列寄存器，将与各个节点对应的并联机构的各个驱动关节的电机控制器参数定义为全局变量并写入节点控制器参数序列寄存器；

(3)控制器参数在线估计与调整，具体步骤为：

(a)将动平台参考点位于工作空间的中点时整定获得的控制器参数作为初始值，写入控制器参数寄存器中；

(b)根据用户编写的NC数控加工程序，按给定的进给速率粗插补生成一系列机器人末端位姿指令，机器人从一个位姿运动至下一位姿所需的粗插补周期时间相等；

(c)在每个粗插补周期中，机器人末端位姿经由位置逆解模块计算得到驱动关节的位置指令和动平台的参考点的坐标，然后将驱动关节的位置指令发送至控制算法模块，将动平台的参考点的当前坐标作为全局变量写入参考点坐标寄存器；

(d)判断粗插补次数累加器计数，若达到n次，则清零累加器并执行独立于控制算法模块的控制器参数估算模块，调用参考点坐标寄存器中的数据、节点坐标序列寄存器中的数据和节点控制器参数序列寄存器中的数据，然后利用反距离权重法估算得到与动平台的参考点的当前坐标对应的驱动关节的电机控制器参数，并更新控制器参数寄存器中的当前变量数值；

所述的反距离权重法为：动平台的参考点位于工作空间中任意点时的驱动关节的电机控制器参数是该电机在所有节点位置处控制器参数的加权估计，权重与动平台当前的参考点位置与各节点间距离d的k次幂成反比，据此，在机器人坐标系下，第i个节点坐标为P_i(x_i,y_i,z_i)，参考点所处位置的坐标为P(x,y,z)，第j个驱动关节电机的控制器参数利用下式求得：

式中，K_i,j表示在第i个节点处，第j个驱动关节的控制参数子序列,2p+1表示选取节点的数目，所述的i＝1,2,...,2p+1；所述的j＝1,2,3；k＝2；d_i表示参考点P与第i个节点间的距离，由下式确定：

(e)控制算法模块读取控制器参数寄存器中更新后的各电机的控制器参数的当前数值，计算生成各驱动关节电机的控制信号，发送至伺服系统，进而控制电机运动；

(f)控制算法模块运算完成一次后，粗插补次数累加器计数增加，进入下一粗插补周期，执行前述(c)、(d)、(e)三个步骤的运算。

本发明的有益效果是：本发明方法采用离线整定获得节点控制器参数序列，在线估计参考点位于任意点时驱动关节电机控制器参数的策略。控制器参数估算算法简单，占用硬件资源少，且与伺服控制算法相互独立，可在保证伺服控制稳定的前提下，实现控制器参数的自适应调整。

附图说明

图1混联机器人中并联机构工作空间节点选取与控制器参数调整示意图；

图2控制器参数自适应调整策略框图；

图3控制器参数自适应调整计算流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图对本发明做进一步详细说明，本发明适用于任何具有驱动关节电机的负载惯量随位形变化特点的并联、混联机器人的控制。具体可以参见专利CN104985596A所公开的“一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人”，应当理解，此处所述的具体实例仅用以解释本发明，并不限定于本例。

本发明的一种五自由度混联机器人控制器参数自适应调整实现方法，包括以下步骤：

(1)构建节点坐标序列，具体步骤为：

根据含位置型三自由度并联机构的五自由度混联机器人的并联机构动平台参考点P(以专利CN104985596A所公开的五自由度混联机器人的并联机构动平台参考点P为例，该参考点的设定可以根据不同的混联机器人结构自定义，通常在与动平台相连的串联转头的轴线上选取)的工作空间对称性，选取参考点的工作空间的中点P₁及以参考点的工作空间的中平面为对称面，在所述的中平面的两侧的参考点的工作空间范围内对称选取2p(p为正整数)个点共同作为节点，给全部节点设定编号并且记录每一个编号对应的节点在机器人坐标系(机器人坐标系通常建立在静平台上，如图1所示，以机器人并联机构转动支架与从动支链相连的虎克铰的中心点为坐标原点B，建立与静平台固连的笛卡尔坐标系B-x₀y₀z₀)下的坐标，构成节点坐标序列{P_i(x_i,y_i,z_i)}(i＝1,2,...,2p+1)，表示如下：

{P_i(x_i,y_i,z_i)}＝{P₁(x₁,y₁,z₁)P_2m(x_2m,y_2m,z_2m)P_2m(x_2m+1,y_2m+1,z_2m+1)}

式中，1≤m≤p，P₁表示工作空间中点，P_2m与P_2m+1表示关于中平面对称的第2m个与第2m+1个节点。

(2)构建节点控制器参数序列，具体步骤为：

(a)令参考点P运动至参考点的工作空间的中点P₁处，依次整定并联机构三个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的控制器参数按节点编号记录，以驱动关节与静平台相连的铰链位于参考点工作空间中平面内的驱动关节的电机为1号电机，中平面左右两侧对称分布的电机分别为2、3号电机，以{K₁}表示动平台参考点位于工作空间的中点P₁处的整定结果，即

{K₁}＝{K_1,1>1,2>1,3}

式中K_1,1，K_1,2，K_1,3分别表示在第1个节点P₁处第1、2、3号驱动关节电机的控制器参数，各驱动关节电机的控制器参数整定方法可以参见采购的电机控制器整定操作说明；

(b)令参考点P依次运动至中平面一侧的各个节点P_2m(1≤m≤p)处，依次整定并联机构各个驱动关节电机的控制器参数，并将得到的参数按节点编号记录，以{K_2m}表示动平台参考点位于点P_2m处的整定结果，则

{K_2m}＝{K_2m,1>2m,2>2m,3}

式中K_2m,1，K_2m,2，K_2m,3分别表示在第2m个节点处第1、2、3号驱动关节电机的控制器参数；

(c)依据参考点工作空间的面对称性以及所述并联机构在工作空间内的位形变化关于中平面对称的特点，中平面左右两侧对称分布的2、3号电机的控制器参数也具有对称性。在得到中平面一侧各个节点处的整定结果后，动平台参考点位于另一侧任意节点处时2号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的3号驱动关节电机的控制器参数，3号驱动关节电机的控制器参数取与此节点对称的节点处的2号驱动关节电机的控制器参数，1号驱动关节电机的控制器参数不变，得到参考点位于中平面另外一侧节点P_2m+1(1≤m≤p)处时各个驱动关节电机的控制器参数，以{K_2m+1}表示动平台参考点位于点P_2m+1处的整定结果，则

{K_2m+1}＝{K_2m+1,1>2m+1,2>2m+1,3}＝{K_2m,1>2m,3>2m,2}

式中K_2m+1,1，K_2m+1,2，K_2m+1,3分别表示在第2m+1个节点处第1、2、3号驱动关节电机的控制器参数。

本步骤利用并联机构构型及其在工作空间内位形变化的对称特性，无需整定即获得参考点位于工作空间的中平面另一侧各个节点处时的整定结果，本方法对于任何具有对称构型及面对称工作空间的并联机构均适用，在对称节点下整定得到的关于中平面对称的驱动关节电机的控制器参数对称，位于中平面内的驱动关节电机的控制器参数不变。

(d)由所述的步骤(a)、(b)和(c)中得到的各个节点处的驱动关节电机控制器的参数形成节点控制器参数序列{K_i}，表示如下：

下面举例对本发明涉及的驱动关节电机控制器的整定加以说明，以专利CN104985596A中的驱动关节电机为例，对三个驱动关节电机采用位置反馈与速度前馈混合校正控制策略进行整定，对节点控制器参数序列{K_i}进行说明：节点控制器参数序列{K_i}中对应于每一个节点的子序列包括三个驱动关节的PID、速度前馈及加速度前馈控制器参数

{K_i,j}＝{K_i,j,1>i,j,2>i,j,3>i,j,4>i,j,5}

＝{K_i,j,P>i,j,I>i,j,D>i,j,vff>i,j,aff}

式中，{K_i,j}表示在第i(i＝1,2,...,2p+1)个节点处，第j(j＝1,2,3)个驱动关节的控制参数子序列。K_i,j,P,K_i,j,I,K_i,j,D,K_i,j,vff,K_i,j,aff分别表示控制器参数序列中的比例、积分、微分、速度前馈和加速度前馈控制器的参数；

(e)将各个节点的坐标定义为全局变量并写入节点坐标序列寄存器，将与各个节点对应的并联机构的各个驱动关节的电机控制器参数定义为全局变量并写入节点控制器参数序列寄存器。

(3)控制器参数在线估计与调整，具体步骤为：

(a)将动平台参考点位于工作空间的中点时整定获得的控制器参数作为初始值，写入控制器参数寄存器中；

(b)根据用户编写的NC数控加工程序，按给定的进给速率粗插补生成一系列机器人末端位姿指令，机器人从一个位姿运动至下一位姿所需的粗插补周期时间相等；

(c)在每个粗插补周期中，机器人末端位姿经由位置逆解模块计算得到驱动关节的位置指令和动平台的参考点的坐标，然后将驱动关节的位置指令发送至控制算法模块，将动平台的参考点的当前坐标作为全局变量写入参考点坐标寄存器；

(d)判断粗插补次数累加器计数，若达到n次，则清零累加器并执行独立于控制算法模块的控制器参数估算模块，调用参考点坐标寄存器中的数据、节点坐标序列寄存器中的数据和节点控制器参数序列寄存器中的数据，然后利用反距离权重法估算得到与动平台的参考点的当前坐标对应的驱动关节的电机控制器参数，并更新控制器参数寄存器中的当前变量数值；

作为本发明的一种实施方法，控制器参数估算模块的调用周期应根据任务需求与硬件运算能力来确定，一般可设为粗插补周期的整数(n)倍。据此，在每n个粗插补周期执行一次控制器参数估算与更新，控制器参数的数值在下一次估算前保持不变。

所述的反距离权重法为：动平台的参考点位于工作空间中任意点时的驱动关节的电机控制器参数是该电机在所有节点位置处控制器参数的加权估计，权重与动平台的参考点的当前位置与各节点间距离d的k次幂成反比。据此，在机器人坐标系下，第i个节点坐标为P_i(x_i,y_i,z_i)，参考点所处位置的坐标为P(x,y,z)，第j个驱动关节电机的控制器参数利用下式求得：

式中，K_i,j表示在第i个节点处，第j个驱动关节的控制参数子序列，2p+1表示选取节点的数目。所述的i＝1,2,...,2p+1；所述的j＝1,2,3；d_i表示参考点P与第i个节点间的距离，可由下式确定：

一般可取k＝2。

(e)控制算法模块读取控制器参数寄存器中更新后的各电机的控制器参数的当前数值，计算生成各驱动关节电机的控制信号，发送至伺服系统，进而控制电机运动；

(f)控制算法模块运算完成一次后，粗插补次数累加器计数增加，进入下一粗插补周期，执行前述(c)、(d)、(e)三个步骤的运算。

综上所述，本发明公开的五自由度混联机器人中并联机构驱动关节控制器参数自适应调整实现方法，通过离线构造的节点坐标序列和节点控制器参数序列，采用反距离权重法在线估计和更新动平台参考点位于任意点时的驱动关节控制器参数。其优点在于，控制器参数估算算法简单，与控制算法相互独立，在保证控制稳定性的前提下可实现并联机构驱动关节控制器参数的自适应调整，有利于提高机器人系统在整个工作空间中的运动控制精度。