[发明专利]机械臂位置粗精复合闭环控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械臂位置粗精复合闭环控制方法。

背景技术

空间机械臂作为航天器的一种重要工具，可用于卫星的回收和维修、大型设备的组装、空间站的在轨建设、以及作为航天员出舱的辅助平台，提高安全性及舱外工作能力等。随着空间探索的不断深入，空间机械臂在未来的空间活动中将扮演更加重要的角色。由于空间机械臂的杆件较长，比如加拿大为国际空间站研制的巨型机械臂，其长度达19m；用于协助安装该巨型机械臂的小型机械臂，其杆件长度也达到15m。由于关节位于所控制杆件的始端，关节处微小的角位移误差，经杆件放大后就会造成机械臂末端较大的定位误差。以15m长的杆件为例，若关节角位移的控制误差为1o，末端的定位误差将达到0.2617m!如此巨大的定位误差，要完成精细的维修、组装和交会对接等任务显然是不可能的。

闭环反馈控制是一种很好的提高控制精度的方法，但对于传统的机械臂控制系统，由于无法直接获取末端执行器的位姿，一般是通过测量各关节角度，间接计算末端执行器的位姿，以实现反馈控制。由于反馈信息取自各个关节，而不是末端执行器，这种反馈控制实际上属于半闭环反馈控制，无法克服由于机械啮合松动等问题带来的控制误差。其实，对于传统的机械臂，即使能够直接获取末端执行器的位姿，由于存在齿隙等因素导致的机械啮合松动，实现对末端执行器的精确控制也是不可能的。因此要提高机械臂末端执行器的位姿，首先要直接获取末端执行器的位姿，其次是需要引进一种能够精确消除位姿误差的机构。

发明内容

发明了一种由3个滑移关节构成的机械臂位置精控制机构，该机构安装在传统机械臂末端。由于其臂杆较短，因此具有较高的定位精度。与该机构靠近末端的滑移关节固连的两个CCD相机探测被抓取物体，并计算被抓取物体相对于末端的位置误差。使用中，传统机械臂根据被抓取物体的位置调整各关节的角度，与位置精控制机构靠近末端的滑移关节固连的两个CCD相机拍摄被抓取物体的图像，并计算定位误差，位置精控制机构根据定位误差实施精确控制。本发明实现了基于立体视觉的机械臂末端位置的粗精复合闭环控制。

附图说明

图1是机械臂位置精控制机构外观图，图2是机械臂位置精控制机构内部结构示意图。

标号说明：1平行滑移关节，2垂直滑移关节，3末端执行器，4CCD相机，5基座，6平行滑移关节壳体，7螺杆，8垂直滑移关节壳体，9滑动块，10内螺纹杆，11电机。

具体实施方式

在传统的机械臂末端增加精控制机构之后，整个机构可分为两部分，一部分是用于实现末端位置粗控制的机械臂，即传统机械臂，称为粗控制机械臂，另一部分是位置精控制机构，用于实现末端位置精准控制。

1.位置精控制机构的组成

如图1所示，位置精控制机构由3个滑移关节组成，其中一个是平行滑移关节(1)，即伸缩杆，另外2个是结构完全一样的垂直滑移关节(2)。

如图2所示，平行滑移关节(1)的平行滑移关节壳体(6)是一个空心圆柱，一端安装电机(11)，电机(11)的轴与一根螺杆(7)连接，螺杆(7)与内螺纹杆(10)啮合，内螺纹杆(10)从平行滑移关节壳体(6)底部伸出，连接到第一个垂直滑移关节(2)的基座(5)上。

垂直滑移关节(2)的壳体(8)是一个侧面开槽的空心圆柱，圆柱一端安装电机(11)，电机(11)的轴与螺杆(7)连接，螺杆(7)的另一端插入安装在垂直滑移关节壳体(8)另一端底面上的轴承内。滑动块(9)由两个相交成90°的圆柱构成，其中一个圆柱带内螺纹，并与螺杆(7)啮合，另一实心圆柱伸出垂直滑移关节壳体(8)，连接到第二个垂直滑移关节(2)的基座(5)上。第二个垂直滑移关节(2)的滑动块(9)上的实心圆柱与末端执行器(3)连接。

电机(11)可以正反两个方向旋转。

两个CCD相机(4)安装在位置精控制机构靠近末端的垂直滑移关节(2)的壳体(8)上，它们的光轴与末端执行器(3)的对称轴平行。

2.位置精控制机构坐标系及被抓取物体的质心的坐标

以两个CCD相机(4)的公共相平面与末端执行器(3)的对称轴的交点为原点，以两个CCD相机(4)的光轴与公共相平面的交点的连线为x轴(正向为右)，以公共相平面内经过原点并与x轴垂直的向上方向为y轴，以末端执行器(3)的对称轴为z轴建立测量坐标系。两个CCD相机的相面坐标系的横轴和纵轴分别与x轴和y轴平行，原点位于光轴与相平面的交点。