一种视觉伺服机械臂系统的自适应间隙逆模型发生装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种视觉伺服机械臂系统的自适应间隙逆模型发生装置，特别设及视 觉伺服机械臂系统在输入信号上的改造技术。
【背景技术】
[0002] 机器人是近几十年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机 工程、自动控制工程W及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高 成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。
[0003] 20世纪60年代，由于机器人和计算机技术的发展，人们开始研究具有视觉功能的 机器人。但在该些研究中，机器人的视觉与机器人的动作，严格上讲是开环的。机器人的 视觉系统通过图像处理，得到目标位姿，然后根据目标位姿，计算出机器运动的位姿，在整 个过程中，视觉系统一次性地"提供"信息，然后就不参与过程了。在1973年，有人将视觉 系统应用于机器人控制系统，在该一时期把该一过程称作视觉反馈。直到1979年，hill和 park提出了 "视觉伺服"概念。常见于机器人技术方面的研究。"伺服"一词源于希腊语 "奴隶"的意思。人们想把"伺服机构"当个得屯、应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动 作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即 时自行停转。由于它的"伺服"性能，因此而得名一一伺服系统。视觉伺服，一般指的是，通 过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，通过图像反馈的 信息，来让机器系统对机器做进一步控制或相应的自适应调整的行为。很明显，视觉反馈的 含义只是从视觉信息中提取反馈信号，而视觉伺服则是包括了从视觉信号处理，到机器人 控制的全过程，所W视觉伺服比视觉反馈能更全面地反映机器人视觉和控制的有关研究内 容。
[0004] 20世纪80年W来，随着计算机技术和摄像设备的发展，机器人视觉伺服系统的技 术问题吸引了众多研究人员的注意。在过去的几年里，机器人视觉伺服无论是在理论上还 是在应用方面都取得了很大进展。在许多学术会议上，视觉伺服技术经常列为会议的一个 专题。视觉伺服己逐渐发展为跨机器人、自动控制和图像处理等技术领域的一口独立技术。
[0005] 基于视觉的机器人伺服控制系统研究一直是各类智能机器人研究的一个热点，但 由于实际问题的复杂性，视觉伺服控制算法有待进一步研究，具体实现过程中仍存在视觉 信息处理瓶颈、适用范围窄、系统造价昂贵等实际问题。在视觉伺服机械臂控制系统中，都 需要对相机进行标定，然而相机标定是一件繁琐且效率低的工作；同时，基于视觉伺服机械 臂控制系统是一个非线性强禪合的复杂系统，常见的非线性因素的影响都会使系统的运动 发生变化，比如间隙特性；间隙的存在，相当于死区的影响，降低系统的跟踪精度。由于间 隙为非单值函数，对于相同的输入值X (t)，输出y (t)的取值还取决于i的的符号，因而受其 影响的负载系统的运动变化剧烈。对于非线性系统，由于主动轮转向时，需要越过两倍的齿 隙，其间不驱动负载，因而导致能量积累。当主动轮越过齿隙重新驱动负载时，积累能量的 释放将使负载运动变化加剧。其间隙过大，则蓄能过多，将会导致系统自震，因此，间隙特性 严重影响系统的性能。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于由视觉伺服机械臂的控制系统在输入信号上受间隙非线性约 束影响而提出的一种视觉伺服机械臂系统的自适应间隙逆模型发生装置。
[0007] 本发明的技术方案是：视觉伺服机械臂系统的自适应间隙逆模型发生装置，包括 有视觉伺服控制器、运动控制模块、驱动模块、六自由度机械臂、检测模块、力矩反馈模块、 速度采集模块、位置采集模块和视觉模块；视觉伺服控制器由控制信号发生单元、自适应 间隙逆模型发生装置、自适应相机标定装置、通信单元、计算机控制单元组成；其特点在于： 视觉伺服控制器接收图像处理单元得到的实际图像轨迹和期望的图像轨迹形成的误差信 号、力矩反馈模块采集的力矩信号、速度采集模块采集的速度信号、位置采集模块采集的位 置信号，通过计算机运算控制单元运算，由视觉伺服控制器与视觉模块之间的通信单元进 行信息交换，通过自适应相机标定装置在线标定相机，由自适应间隙逆模型发生装置构建 间隙逆并作用于控制信号，由控制信号发生单元给运动控制模块发送控制信号；运动控制 模块调制PWM波于驱动模块驱动电机传动六自由度机械臂运动；由检测模块检测驱动模块 中的电机电流、速度、和位置信息，并反馈到运动控制模块实现闭环控制；视觉模块采集六 自由度机械臂末端特征点的图像坐标并反馈于控制器的输入，形成带间隙非线性约束的视 觉伺服控制系统的闭环控制。
[0008] 上述的一种带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统，其特征在于：装置包含间 隙逆模型模块、自适应模块、运算模块；间隙逆模块包含与通信单元进行信息传递的参数存 储器、放大电路、压电驱动、逻辑电路、发生电路；自适应模块包含自适应律存储器、间隙参 数调整存储器、间隙参数初始值存储器；运算模块包含运算存储器、积分模块、微分模块、加 减运算模块、乘除运算模块和运算存储器。
[0009] 上述的一种带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统，其特征在于：驱动模块中 的电机输出力矩，经过力矩反馈模块和通过传动装置传动机械臂运动，然后力矩反馈模块、 速度采集模块、位置采集模块分别将采集到的信息反馈到计算机运算控制单元中，经过自 适应间隙逆模型发生装置的逆作用，再经由控制信号发生单元传递到运动控制模块和驱动 模块中，通过自适应间隙逆模型发生装置的逆作用，从而消除间隙约束的影响，提高系统的 图像跟踪精度。
[0010] 上述的一种带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统，用来抵消间隙约束的平滑 逆模型可W表示如下：
[0011]
[001引式中T+(t)和T_是逆模型的输入和输出，t的是输入力矩T+(t)的导数。其中
1是一个确定的常量。关于巧、巧有 W下几个性质：
[001引 1)对任意的。0，巧_仪的)+巧片+的)=1。。对任意的。0，I巧片+脚)|含1和 巧片+的)|書1。
[0014]如片+ (嘴和巧片+的)都是连续并且可微的。
[00巧]4)当 时，巧_仪）^0;当f+^oo时，田,片+)~^1;
[001引当时，巧片+)一 1;当t->00时，巧片）^0。
[0017]上述的一种带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统，由于间隙模型的参数都是 假设未知的，所Wc、Bf、Bi的值也都是未知的。为了能在平滑模型中区分估算的逆模型，故 把未知模型的输出和输入表示成1_和f;因此，了_可^设计成为：
[0018]
[001引其中a,成，a马分别是C，cBr，cBi的预估参数向量，故上式可W转化为如下形 式：
[0020]
[0021] 上述的一种带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统，其特征在于：自适应模块 中的自适应律存储器存储了自适应律的编程代码，用数学形式可W表达为：
[0022]
[002引其中式为间隙逆模型的预估参数向量4的导数，且。=片成，讀]r，r;是一个 3又3的正定对称矩阵，^^ =片，-初,巧，-巧巧了，朵是一个共同速度值。参数由参数存储器 通过间隙参数调整存储器传递到自适应律存储器中；在系统运行初期，由间隙参数初始值 存储器将初始信息传递到运算存储器中；在系统运行后，由自适应律存储器和间隙参数调 整存储器将要进行计算的数据传递到运算存储器中。
[0024]上述的一种带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统，其特征在于：检测模块实 现检测并提供S闭环控制的闭环反馈信号，包含犯P电路和频率测量电路、光电编码器、A/ D转换器、电流传感器；电机转轴上的光电编码器输出的脉冲信号传输给犯P电路和频率测 量电路，脉冲信号经犯P电路处理得到位置反馈信号，并传送给运动控制模块中的位置控 制环，脉冲信号经频率测量电路处理，得到速度反馈信号，并传送给运动控制模块中的速度 控制模块，电流传感器检测电机绕组电流，并通过A/D转换器得到其数字电流信号，再将其 传送给运动控制模块中的电流控制环。
[00巧]上述的一种带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统，其特征在于：六自由度机 械臂在末端标记多个可W由相机单元拍摄、图像处理单元检测到的特征点，该特征点的图 像坐标由视觉模块得到。
[0026]本发明采用手眼分离的视觉伺服机械臂结构，即相机安装在便于观察机械臂末端 特征点的固定位置，通过拍照将图像传递到图像处理单元提取出特征点的图像轨迹。另外 充分考虑到相机的问题，通过自适应相机标定装置在线预估视觉模型，减少了标定相机产 生的繁复工作量。同时本发明也充分考虑到机械臂系统在面临失去非线性约束输入的情况 下，利用自适应间隙逆模型发生装置消除间隙非线性约束，采取的自适应律可w有效建立 对应的间隙逆模型。实验证明该种方法达到了很好的效果，本发明是一种性能优良，易于在 计算机系统上搭建的自适应间隙逆模型发生装置。
【附图说明】
[0027] 图1带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统的总体框图；
[0028] 图2自适应间隙逆模型发生装置原理图；
[0029] 图3手眼分离视觉伺服物理结构示意图；
[0030] 图4构建的逆间隙模型W及输入力矩通过的间隙非线性示意图；
[0031] 图5视觉伺服机械臂控制系统的控制框图。
【具体实施方式】
[0032] 本发明设及一种视觉伺服机械臂控制系统的间隙逆模型发生装置，利用设计的自 适应律在线预估间隙非线性约束的模型参数，然后再构建相对应的间隙逆模型，能有效的 消除在输入信号约束下的视觉伺服控制机械臂，使其末端特征点在图像平面上渐进跟踪期 望的图像轨迹，达到较高的图像跟踪精度。下面结合附图和具体实例对本发明所设计的视 觉伺服机械臂控制系统的间隙逆模型发生装置进行详细的说明。
[0033] 图1为带间隙非线性约束的视觉伺服机械臂系统总体框图。在图1中设计视觉伺 服控制器的目的是；在相机为标定W及机械臂输入力矩受非线性约束的情况下，控制机械 臂的运动使机械臂末端上的特征点在图像平面上的投影能够跟踪给定的期望图像轨迹。视 觉伺服控制器1接收图像处理单元93得到的实际图像轨迹和期望图像轨迹形成速度误差 信号、由位置采集模块8采集的位置信号、由速度采集模块7采集的速度信号、由力矩反馈 模块6采集的力矩信号，通过计算机控制单元15运算，由视觉伺服控制器1与视觉模块9 之间的通信单元91、11进行信息交换，然后通过自适应相机标定装置12在线标定相机，由 自适应间隙逆模型发生装置13构建间隙逆并作用于控制信号发生单元14,由