[发明专利]一种基于ROS的打磨机械臂控制系统

权利要求书

1.一种基于ROS的打磨机械臂控制系统，其特征在于，该系统基于ROS系统框架实现，所述控制系统包括打磨轨迹规划器(1)、机械臂关节轨迹规划器(2)、ROS控制器、物理仿真平台(8)、机械臂控制器(9)、关节状态检测单元(10)和三维显示模块(12)；

打磨轨迹规划器(1)用于根据机械臂末端实时点云数据，计算出工件需要打磨掉的区域，并获取工件打磨轨迹；

机械臂关节轨迹规划器(2)用于根据工件打磨轨迹，利用改进的RRT算法获取带有时间信息的完整机械臂末端轨迹，然后根据逆运动学算法计算获得机械臂关节的期望运动轨迹；

ROS控制器根据机械臂关节的期望运动轨迹，关节状态信息，计算关节控制信号；并将控制信号发送至物理仿真平台(8)；

物理仿真平台(8)接收控制信号对机械臂进行工件打磨仿真试验，并将仿真试验的数据发送至ROS控制器和三维显示模块(12)；

所述ROS控制器根据仿真试验数据判断在仿真实验中机械臂是否与自身或障碍物产生碰撞，若是，则将机械臂的仿真运动轨迹及碰撞信息发送至机械臂关节轨迹规划器(2)；若仿真实验中机械臂没有产生碰撞，将为关节控制信号发送给机械臂控制器(9)；

机械臂关节轨迹规划器(2)还根据机械臂的仿真运动轨迹及碰撞信息调整机械臂关节的期望运动轨迹；直至物理仿真平台(8)的机械臂的仿真实验中不再发生碰撞；

机械臂控制器(9)接收机械臂关节的期望运动轨迹，根据打磨任务过程的相互作用力和实际机械臂的关节状态，计算出机械臂的控制量，对机械臂的执行器(11)进行控制；所述执行器(11)用于驱动机械臂的关节运动；

三维显示模块(12)用于对物理仿真平台(8)的仿真运动过程进行三维显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的打磨机械臂控制系统，其特征在于，打磨轨迹规划器(1)包括点云数据库(101)、滤波器(102)和计算规划模块(103)；

点云数据库(101)用于存储机械臂末端实时点云数据；

滤波器(102)用于对机械臂末端实时点云数据进行滤波；

计算规划模块(103)利用滤波后的点云数据，根据迭代最近点算法计算出工件需要打磨掉的区域，并利用投影算法将平面打磨掉的区域投影到工件表面上，得到工件打磨轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种基于ROS的打磨机械臂控制系统，其特征在于，ROS控制器包括PID控制器(3)、关节状态接口(4)、关节指令接口(5)、仿真接口(6)和硬件接口(7)；

PID控制器(3)采用PID算法对机械臂关节的期望运动轨迹、关节的实际状态信息和关节仿真状态信息，计算关节的控制信号；

关节状态接口(4)用于接收关节的实际状态信息和关节仿真状态；并将关节的实际状态信息和仿真状态信息发送给PID控制器(3)；

关节指令接口(5)用于将关节的控制信号发送至仿真接口(6)和硬件接口(7)；

仿真接口(6)向物理仿真平台(8)发送关节控制信号，将物理仿真平台(8)获得的关节仿真状态发送至关节状态接口(4)；

硬件接口(7)将关节的控制信号发送至机械臂控制器(9)；将关节的实际状态信号发送至关节状态接口(4)。

4.根据权利要求1所述的一种基于ROS的打磨机械臂控制系统，其特征在于，关节状态检测单元(10)，包括角速度传感器(1001)和角度传感器(1002)，所述角速度传感器(1001)用于采集关节转动的角速度，角度传感器(1002)用于采集与关节相连的两个机械臂之间的角度。

5.根据权利要求1所述的一种基于ROS的打磨机械臂控制系统，其特征在于，计算关节控制信号通过公式：

实现，其中，K_p是比例增益，K_I是积分增益，K_D是微分增益，u是关节控制信号，q_d是期望关节角度，q是实际的关节角度，t为时间。