一種Delta機器人運動機構的模糊PI控制器設計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于LabVIEW圖形化編程軟件，設計Delta機器人運動機構控制器的方法，用于改善系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，提高跟蹤的精度，屬于機器人控制【技術領域】。首先基于Delta機器人的結構，求解機器人的運動學關系，構建末端執(zhí)行器到運動各軸的逆運動學方程；利用五次多項式曲線擬合各軸的運動路徑；由伺服電機的編碼器反饋得到的信息，經FPGA模塊處理得到位置偏差e，輸入到模糊PI控制器內，控制器輸出速度的脈沖信號；通過NI的PCI-7842R板卡上的FPGA模塊驅動伺服電機驅動器，從而使電機準確快速地旋轉到給定位置。
【專利說明】一種Delta機器人運動機構的模糊PI控制器設計方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及Delta機器人控制領域，具體是基于LabVIEW圖形化編程軟件，設計一 種Delta機器人運動機構的模糊PI控制器，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，提高跟蹤的精度，屬 于機器人控制【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 自1962年第一臺工業(yè)機器人應用于生產線以來，機器人技術不斷發(fā)展、完善和成 熟，目前已廣泛應用于制造業(yè)、服務業(yè)、科學探索、醫(yī)學、軍事和航天等各個領域。工業(yè)機器 人可以代替人類完成大量高質量要求的工作，如汽車制造、電子產品制造、食品包裝、物料 的搬運等。由于Delta機器人具備剛性強度大、速度快、精度高、承載能力強、動負荷小、結 構緊湊等特點，在工業(yè)領域分揀、插裝等工序中有廣泛的應用。通過何種控制方法使Delta 機器人手臂更加快速、精準、穩(wěn)定地抓取物品，一直是Delta機器人的研究熱點。Delta機器 人控制系統(tǒng)是一個非線性、多輸入、多輸出、強耦合的復雜系統(tǒng)，PI控制器處理系統(tǒng)不確定 性的能力有限，會造成控制的不準確和不穩(wěn)定。模糊PI控制是根據(jù)控制規(guī)則決定控制量的 大小，其控制算法是根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況及操作人員的經驗，通過建立控制規(guī)則表，按照 模糊合成推理規(guī)則求出相應的控制量，再經過反復調試和修正，加上PI控制較好的穩(wěn)態(tài)性 能，使被控對象具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。故模糊PI控制不需要知道控制對象精確 的數(shù)學模型，從而克服了復雜系統(tǒng)無法建立確定的數(shù)學模型的缺點。


【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于以LabVIEW圖形化編程軟件為平臺，設計一種Delta機器人運 動機構的模糊PI控制器，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，提高跟蹤的精度。
[0004] 按照本發(fā)明提供的技術方案，所述Delta機器人運動機構的模糊PI控制器技術方 案包括如下步驟：
[0005] 第一步，在立體鋼結構支架內安裝Delta機器人，所述的Delta機器人能夠在立體 支架內運動；在鋼結構立體支架前端安裝工業(yè)智能相機，Delta機器人下方安裝垂直于機 器人本體的傳送帶；在工業(yè)智能相機所在的位置建立相機坐標系，在Delta機器人的靜平 臺上建立機器人的基坐標系；在工控機上安裝NI的PCI-7842R板卡，通過信號轉接板連接 到伺服電機驅動器。
[0006] 第二步，當傳送帶上有物件傳送時，工業(yè)智能相機識別物件的像素位置，并轉化到 相機坐標系的位置，由相機坐標系的位置通過外參數(shù)矩陣轉化到基于機器人基坐標的位 置；在運動過程中，通過傳送帶上編碼器反饋的信息對物件的位置進行實時更新，當物件到 達機器人工作區(qū)域時，機器人完成將傳送帶上的物件抓取到另一固定位置。
[0007] 第三步，建立Delta機器人的運動學模型，確定各運動軸位置（θ ρ Θ 2, Θ 3)與末 端執(zhí)行器位置坐標（x，y)的對應關系，即位置逆解模型。通過已知機械臂末端的位置，求解 主動臂的轉角。
[0008] 第四步，在關節(jié)空間中根據(jù)作業(yè)任務的要求，由起始點和終止點的位置、速度和加 速度，計算出預計的運動軌跡，采用五次多項式插值規(guī)劃關節(jié)空間的運動軌跡。
[0009] 第五步，Delta機器人的運動機構即伺服電機，由伺服電機的編碼器反饋得到伺服 電機的當前位置信息，經NI板卡上的FPGA模塊處理后傳送到工控機，由給定轉角位置與當 前的角度位置得到位置偏差e，輸入到模糊PI控制器，控制器輸出速度的脈沖信號，通過NI 板卡上的FPGA模塊輸出到伺服驅動器，使電機旋轉到給定位置。
[0010] 所述第二步包括如下步驟：
[0011] 2. 1、在獲取像素點坐標后，需要通過標定得到的內外參數(shù)求取基于并聯(lián)機器人的 基坐標。所謂相機標定，就是根據(jù)給定的相機模型求取相機的內部參數(shù)、外部參數(shù)。采用張 正友方法進行相機標定，相機坐標系下的參數(shù)求取如下：
[0012]

【權利要求】
1. 提出了一種Delta機器人運動機構的模糊PI控制器設計方法，其特征是在關節(jié)空間 中，采用五次多項式插值規(guī)劃運動軌跡；采用LabVIEW的FPGA模塊和PCI-7842R模塊開發(fā) FPGA程序，定制I/O及控制硬件電路；設計模糊PI控制器，實現(xiàn)Delta機器人的運動控制； 包含以下幾個步驟： (1) 建立支架安裝Delta機器人、工業(yè)智能相機、傳送帶編碼器等組件； (2) 建立工業(yè)智能相機坐標和Delta機器人的坐標轉換關系； (3) 采用五次多項式插值規(guī)劃關節(jié)空間的運動軌跡； (4) 編寫FPGA程序并設計模糊PI控制器。
2. 根據(jù)權利要求1所述Delta機器人運動機構的模糊PI控制器設計方法，其特征是： 所述步驟（1)中建立支架安裝Delta機器人、工業(yè)智能相機、傳送帶編碼器等組件，包含以 下步驟： 在立體支架130內安裝四自由度Delta機器人110,所述四自由度Delta機器人110能 在立體支架130內運動；在立體支架130的前端采用全局方式安裝工業(yè)智能相機100,立體 支架130內設置傳送帶120,傳送帶120的運動方向垂直于四自由度Delta機器人110的運 動平面，工業(yè)智能相機也安裝在支架130上，傳送帶120后端安裝傳送帶編碼器140。
3. 根據(jù)權利要求1所述Delta機器人運動機構的模糊PI控制器設計方法，所述步驟 (2) 中建立工業(yè)智能相機坐標和Delta機器人的坐標轉換關系，包含以下步驟： 第一步、建立工業(yè)智能相機模型，存在：
其中，（u，V)為成像平面上的像素坐標，（x。，y。，z。）為物件在相機坐標系下的表示；通 過計算出矩尚
以求取物件基于相機坐標系的位置（x。，y。，z。）； 第二步、由[x。y。z。I]' =MwIixwywzwI]'建立相機坐標系和機器人基坐標的關系，Mw是外參數(shù)矩陣。
4. 根據(jù)權利要求1所述Delta機器人運動機構的模糊PI控制器設計方法，所述步驟 (3) 中機器人關節(jié)空間軌跡規(guī)劃，包含以下步驟： 第一步、獲取起始點和終止點的限制條件，即起始點和終止點的關節(jié)角度9〇、0f，起始 點和終止點的速度夂、<，起始點和終止點的加速度4、& 第二步、由起始點和終止點的限制條件，求解出五次多項式插值函數(shù)的各項系數(shù)。
5. 根據(jù)權利要求1所述Delta機器人運動機構的模糊PI控制器設計方法，所述步驟 (4) 中編寫FPGA程序并設計模糊PI控制器，包含以下步驟： 由伺服電機的編碼器反饋得到伺服電機的當前位置信息，經NI板卡上的FPGA模塊處 理后傳送到工控機內，將給定轉角位置與當前的角度位置作差得到位置偏差e，輸入到模糊PI控制器內，控制器輸出速度的脈沖信號，通過NI板卡上的FPGA模塊驅動伺服電機驅動 器，從而使電機旋轉到給定位置。
【文檔編號】G05B13/04GK104267598SQ201410482756
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權日:2014年9月19日
【發(fā)明者】白瑞林, 曹沁婕, 殷國亮, 梁兆瑞 申請人:江南大學