(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210632200.3 (22)申请日 2022.06.07 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 李鹏程　田威　白权　廖文和　 徐翔　李波　韦学文　魏德岚　 (74)专利代理 机构 南京钟山专利代理有限公司 32252 专利代理师 戴朝荣 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种高频非线性扰动 的机械臂多尺度空间 滑模控制方法 (57)摘要 本发明提供一种高频非线性扰动 的机械臂 多尺度空间滑模控制方法， 包括构建基于双目视 觉及关节光栅尺的耦合反馈移动机械臂系统硬 件组态； 在工业机器人六个关节处设置关节光栅 尺， 以反馈测量移动机械臂系统加工过程中产生 的高频非线性振动； 构建移动机械臂系统在作业 过程中的视觉伺服测量系统； 构建包含AGV平台 的移动机械臂系统动力学模型； 构建面向慢变子 系统轨迹跟踪的非线性控制器滑模面； 构建高频 非线性扰动下的移动机械臂系统快变子系统稳 态参考模型， 设计基于参考模型的自适应控制器 控制律， 获取自适应控制器全局渐近稳定条件。 本发明能够抑制加工过程中柔性机器人的高频 振动， 实现末端执行器高进度轨迹跟踪， 抑制多 源耦合非线性扰动。 权利要求书6页 说明书14页 附图4页 CN 115008455 A 2022.09.06 CN 115008455 A 1.一种高频非线性扰动的机 械臂多尺度空间滑模 控制方法， 其特 征在于， 包括： 构建基于双目视 觉及关节光 栅尺的耦合反馈移动机 械臂系统硬件组态； 在工业机器人六个关节 处设置关节光栅尺， 以反馈测量移动机械臂系统加工过程中产 生的高频非线性振动； 构建移动机械臂系统在作业过程中的视觉伺 服测量系统， 利用双目笛卡尔空间六维视 觉测量信号获得末端执 行器的实时位姿误差； 构建包含AGV平台的移动机械臂系统动力学模型， 将柔性的移动机械臂系统分解为多 时空尺度快 ‑慢子系统； 构建面向慢变子系统轨迹跟踪的非线性控制器滑模面， 获取移动机械臂系统全局渐近 稳定条件， 将双目视 觉测量信号作为反馈， 对移动机 械臂系统进行轨 迹跟踪闭环控制； 构建高频非线性扰动下的移动机械臂系统快变子系统稳态参考模型， 设计基于参考模 型的自适应控制器控制律， 获取自适应控制器全局渐近稳定条件。 2.根据权利要求1所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法， 其特征在于， 所述构建基于 双目视觉及关节光 栅尺的耦合反馈移动机 械臂系统硬件组态， 包括： 搭建包括双目视觉测量系统、 移动机械臂系统、 光栅尺关节转角反馈系统和协同控制 器的移动机 械臂加工系统； 双目视觉测量系统及光栅尺关节转角反馈系统闭环反馈获得的移动机械臂系统的轨 迹跟踪误差及加工振动， 通过基于奇异摄动分解的多时空尺度控制 器计算， 得出下一时刻 的期望位姿并发送给移动机 械臂系统逆解成所需关节角度； 根据计算得出的实时关节角度控制量驱动电机； 外部控制系统通过RSI交互接口与移 动机械臂系统连接， 对移动机 械臂系统进行控制。 3.根据权利要求2所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法， 其特征在于， 在工业机器人 六个关节处设置关节 光栅尺， 以反馈测量移动机械臂系统加工过程中产生的高频非线性振 动， 包括： 在搭建的光栅尺关节转角反馈系统硬件组态中， 移动机械臂系统与控制器之间共需采 取三种通讯协议， 建立两条通讯路径； 其中， Ether net通讯线路为实现工控机与 移动机械臂 系统控制柜之间高速通讯所建立的以太网通讯服务； EtherCAT通讯是为实现工控机实时读 写移动机 械臂系统外 部自动信号所需的通讯通路； 采用工业PLC实现复杂 控制任务的控制功能， 其中工业PLC包括与工控机相连的主站模 块及与移动机械臂系统控制柜相连的从站模块， 主站模块与从站模块之间通过EtherCAT通 讯协议相连； 实时采集关节转角变化的光栅尺读数头输出信号通常为全双工同步串行总线 通信的BiSS格式， 通过格式转换模块转换格式后， 经由USB集线器接口将六轴信号一起发送 至工控机； 通过实时测量并发送加工过程中产生的扰动信号， 实现快变子系统的闭环振动 控制。 4.根据权利要求2所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法， 其特征在于， 所述构建移动 机械臂系统在作业过程中的视觉伺服测量系统， 利用双目笛卡尔空间六维视觉测量信号 获 得末端执 行器的实时位姿误差， 包括： 通过双目视觉测量系统构建加工场景下所需的坐标系， 包括末端执行器坐标系、 机械 臂基坐标系、 工件坐标系以及描述旋转变换所需的与末端 执行器坐标系方向相同的附属坐权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 115008455 A 2标系； 计算附属坐标系至 工件坐标系的旋转矩阵； 获取工件坐标系下末端执 行器坐标系平 移至其附属坐标系的平 移变换矩阵； 计算工件坐标系下的一阶位姿误差 。 5.根据权利要求4所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法， 其特征在于， 所述计算附属 坐标系至 工件坐标系的旋转矩阵， 包括： 根据以下公式计算附属坐标系至 工件坐标系的旋转矩阵： 其中， Rrot为附属坐标系至工件坐标系的旋转矩阵； 为末端执行器坐标系方向相同的 附属坐标系旋转至工件坐标系的酉矩阵； Δθ为单位角度； Πα、 Πβ和Πγ分别为各个旋转方 向上的分量； α 、 β 和γ分别为绕工件坐标系各坐标轴的角度。 6.根据权利要求2所述的机械臂多尺度空间滑模控制方法， 其特征在于， 所述构建包含 AGV平台的移动机械臂系统动力学模 型， 将柔性的移动机械臂系统分解为多时空尺度快 ‑慢 子系统， 包括： 利用传统拉格朗日法建立包 含AGV移动平台的移动机 械臂系统动力学模型为： 其中， R3×3为维度为3 ×3的矩阵； D∈R3×3， 为移动机械臂的正定广义的对称、 正定惯性矩 阵； C∈R3×3， 为包含哥氏力和离心力的列向量； qb为机械臂基坐标处的转角位置； 为qb的 一阶导数； qc＝[q1,q2,q3,q4,q5,q6]T为机械臂各个关节处的转角位置； 为qc的一阶导数； θ ＝[θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6]T为机械臂关节处驱动电机转子的旋转角度； K为柔性关节的等效刚 度系数矩阵； J为关节处驱动电机的对角正定矩阵， τc为关节处驱动电机的输出力矩； 为θ 的二阶导数； 令各个驱动电机开始上电产生的转角与关节臂连杆转角之间的差值为σ， 得到该关节 的快变空间振动为： σ ＝θ‑qc； 且可得 由于惯性矩阵D为对称、 正定的， 因此 可得惯性矩阵D逆矩阵： 整理得： 假设移动机械臂关节刚度满足加工需求， 令一个小量Θ∈(0,1]为奇异摄动因子， 则权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 115008455 A 3