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一种空间机构使用可靠性的系统控制方法及控制系统

阅读:437发布:2024-02-20

专利汇可以提供一种空间机构使用可靠性的系统控制方法及控制系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种空间机构使用可靠性的系统控制方法及控制系统,对空间机构的使用可靠性影响参数进行检测,获得检测值,依据检测值确定调整策略,以实现对下一控制周期的控制参数的调整,从而可以控制空间机构在下一控制周期的任务执行,因此本发明能够实现在出现影响空间机构的使用可靠性的因素时,及时地对空间机构的控制参数进行调整,提高空间机构的使用可靠性,延长空间机构的使用寿命,降低空间机构的使用成本和维修成本。,下面是一种空间机构使用可靠性的系统控制方法及控制系统专利的具体信息内容。

1.一种空间机构使用可靠性的系统控制方法,其特征在于,具体步骤为:
步骤101、在任务的一个控制周期结束后,检测空间机构的使用可靠性影响参数,获得所述使用可靠性影响参数的检测值;
步骤102、依据所述使用可靠性影响参数的检测值,获得调整策略;
步骤103、依据所述调整策略,获得下一控制周期的控制参数;
步骤104、在任务的下一控制周期到来时,依据所述下一控制周期的控制参数控制空间机构执行任务。
2.根据权利要求1所述的系统控制方法,其特征在于,
所述使用可靠性影响参数包括任务相关性能参数和代价相关性能参数;
所述任务相关性能参数至少包括以下信息中的一个:末端位置、末端速度和碰撞
所述代价相关性能参数至少包括以下信息中的一个:速度、负载、温度、使用频率和功耗。
3.根据权利要求2所述的系统控制方法,其特征在于,所述依据所述使用可靠性影响参数的检测值,获得调整策略,包括:
依据所述任务相关性能参数的检测值,获得任务的执行结果;
依据所述代价相关性能参数的检测值,获得任务的运行状态;
依据所述执行结果和所述运行状态,获得调整策略。
4.根据权利要求1至3任一所述的系统控制方法,其特征在于,
所述调整策略为不调整下一控制周期的控制参数或调整下一控制周期的控制参数;
所述控制参数包括以下信息:任务规划约束、路径规划约束和运动控制参数。
5.根据权利要求4所述的系统控制方法,其特征在于,依据所述执行结果和所述运行状态,获得调整策略,包括:判断执行结果是否满足预设的第一条件和运行状态是否满足预设的第二条件;
若所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,调整策略为不调整下一控制周期的控制参数;
若所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,调整策略为调整下一控制周期的控制参数中的路径规划约束;
若所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,调整策略为调整下一控制周期的控制参数中的运动控制参数;
若所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,调整策略为:首先,判断空间机构是否出现故障,如果判断出空间机构出现故障,则进一步确定故障源,依据确定的故障源,对空间机构进行故障排除,再调整下一控制周期的控制参数中的任务规划约束;
如果判断出空间机构未出现故障,则直接调整下一控制周期的控制参数中的任务规划约束。
6.根据权利要求5所述的系统控制方法,其特征在于,判断执行结果是否满足预设的第一条件为:
令第i个任务相关性能参数的检测值表示为Ii,其中,i=1,2,3,…,n,n为任务相关性能参数中参数的个数;
在已经执行完的m个控制周期中,第i个任务相关性能参数的检测值与对应的目标值的误差表示为ΔIij,其中,j=1,2,3…,m;
从m个控制周期中取最后的k个控制周期,计算k个控制周期内第i个任务相关性能参数的累计误差Qit:
其中,t为当前控制周期;
判断任务相关性能参数的累计误差Qit与对应的事先设定的阈值 的大小,若所有的任务相关性能参数的累计误差Qit均小于对应的阈值 执行结果满足预设的第一条件,否则,执行结果不满足预设的第一条件;
判断运行状态是否满足预设的第二条件为:
令第i′个代价相关性能参数的检测值为Ci′,其中,i′=1,2,3,…,n′,n′为代价相关性能参数中参数的个数;
在已经执行完的m个控制周期中,代价相关性能参数对应的检测值为Ci′j,其中,j=
1,2,3…,m;
从m个控制周期中取最后的k个控制周期,计算k个控制周期内第i′个代价相关性能参数的检测值的累计值Li′t:
其中,t为当前控制周期;
判断代价相关性能参数的检测值的累计值Li′t与对应的事先设定的阈值 的大小,若所有代价相关性能参数的检测值的累计值Li′t均小于对应的阈值 运行状态满足预设的第二条件;否则,运行状态不满足预设的第二条件。
7.一种用于执行权利要求1所述的控制系统,其特征在于,该系统包括检测单元、决策单元、调整单元及控制执行单元,其中:
检测单元,用于在任务的一个控制周期结束后,检测空间机构的使用可靠性影响参数,获得所述使用可靠性影响参数的检测值;
决策单元,用于依据所述使用可靠性影响参数的检测值,获得调整策略;
调整单元,用于依据所述调整策略,获得下一控制周期的控制参数;
控制执行单元,用于在任务的下一控制周期到来时,依据所述下一控制周期的控制参数控制空间机构执行任务。
8.根据权利要求7所述的系统,其特征在于,
所述使用可靠性影响参数包括任务相关性能参数和代价相关性能参数;
所述任务相关性能参数包括以下信息中至少一个:末端位置、末端速度、碰撞力;
所述代价相关性能参数包括以下信息中至少一个:速度、负载、温度、使用频率。
9.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述决策单元,具体用于:
依据所述任务相关性能参数的检测值,获得所述任务在所述第一控制周期的执行结果;
依据所述代价相关性能参数的检测值,获得所述任务在所述第一控制周期的运行状态;
依据所述执行结果和所述运行状态,获得所述调整策略。
10.根据权利要求7至9任一所述的系统,其特征在于,
所述调整策略为不调整所述第一控制参数或调整所述第一控制参数;
所述第一控制参数包括以下信息:任务规划约束、路径规划约束和运动控制参数。
11.根据权利要求10所述的系统,其特征在于,所述决策单元,具体用于:若所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,不调整所述第一控制参数;
若所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,调整所述路径规划约束;
若所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,调整所述运动控制参数;
若所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,判断空间机构是否出现故障,如果判断出空间机构出现故障,待空间机构的故障排除后,再调整所述任务规划约束;
如果判断出空间机构未出现故障,则直接调整所述任务规划约束。

说明书全文

一种空间机构使用可靠性的系统控制方法及控制系统

技术领域

[0001] 本发明属于自动化控制技术领域,具体涉及一种空间机构使用可靠性的系统控制方法及控制系统。

背景技术

[0002] 随着我国航天技术的发展,航天应用任务日益多样,空间机构产品大量应用,且呈现出多样化的发展趋势。航天器总体发展趋势呈现高价值、长寿命特点,空间机构的功能不断增加,结构也日趋复杂,特别是随着在轨工作时间的增长,空间机构必将有许多不可预知的新型故障模式被暴露。绝大部分空间机构产品需要布局于航天器舱外,受条件所限,维护困难。因此,实现空间机构的高可靠长寿命是完成我国载人航天、深空探测等国家重大专项任务的必需,也成为世界航天技术的主要难点之一。
[0003] 在实际中产品的可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的,是产品开发者可以控制的,它是产品的一种固有特性。使用可靠性是产品在实际使用过程中表现出的一种性能保持能的特性,它除了考虑固有可靠性的影响因素之外,还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因素的影响。因此,空间机构系统可靠性的提升可从固有可靠性和使用可靠性两个方面着手,尤其使用可靠性的维护与保持问题应该引起足够的重视。
[0004] 系统控制理论是在接受系统论和控制论的思想和工作方法的基础上发展起来的控制系统综合优化理论,通过分析系统内在关系,综合考虑系统各部分相互影响关系,在控制理论的基础上,对系统的控制过程进行优化和调整,实现系统整体状态最优。
[0005] 空间机构种类繁多,有些机构不可控,如:桁架等支撑结构;有些机构可以进行控制,如:空间机械臂、导航星间链路驱动机构等。对于机械臂等这类含多活动部件的空间可控机构,在服役过程中通过调整控制策略、优化控制参数可以提高空间机构的使用可靠性,延长机械臂的使用寿命,降低机械臂的使用成本和维修成本。
[0006] 现有技术中,PID控制、变结构控制、模糊控制,神经网络控制及预测控制等控制方法已经广泛应用于空间机构控制技术中,在空间机构控制过程中,控制变量和考虑因素众多,而现有的控制模型大多只关注与任务执行效果相关的影响因素,很少考虑与空间机构寿命相关的使用可靠性影响因素,且目前还没有一种从系统层面同时考虑任务执行效果相关影响因素和寿命相关使用可靠性影响因素的控制方法,导致空间机构服役周期受使用可靠性相关因素影响而缩短。因此,为了进一步提高空间机构的使用可靠性,应当考虑一种综合多种使用可靠性因素的系统控制方法,从系统层面构建保持和提升使用可靠性的控制方法与调整策略,通过控制策略的调整与自适应变化,在空间机构服役全生命周期过程中,延缓机构系统性能退化及可能引起的可靠性衰减等问题,在固有可靠性不变情况下,提高系统使用可靠性。

发明内容

[0007] 有鉴于此,本发明的目的是提供了一种空间机构使用可靠性的系统控制方法及控制系统,以提高空间机构的使用可靠性。
[0008] 本发明的一种空间机构使用可靠性的系统控制方法,具体步骤为:
[0009] 步骤101、在任务的一个控制周期结束后,检测空间机构的使用可靠性影响参数,获得所述使用可靠性影响参数的检测值;
[0010] 步骤102、依据所述使用可靠性影响参数的检测值,获得调整策略;
[0011] 步骤103、依据所述调整策略,获得下一控制周期的控制参数;
[0012] 步骤104、在任务的下一控制周期到来时,依据所述下一控制周期的控制参数控制空间机构执行任务。
[0013] 进一步地,本发明所述使用可靠性影响参数包括任务相关性能参数和代价相关性能参数;
[0014] 所述任务相关性能参数至少包括以下信息中的一个:末端位置、末端速度和碰撞力;
[0015] 所述代价相关性能参数至少包括以下信息中的一个:速度、负载、温度、使用频率和功耗。
[0016] 进一步地,本发明所述依据所述使用可靠性影响参数的检测值,获得调整策略,包括:
[0017] 依据所述任务相关性能参数的检测值,获得任务的执行结果;
[0018] 依据所述代价相关性能参数的检测值,获得任务的运行状态;
[0019] 依据所述执行结果和所述运行状态,获得调整策略。
[0020] 进一步地,本发明所述调整策略为不调整下一控制周期的控制参数或调整下一控制周期的控制参数;
[0021] 所述控制参数包括以下信息:任务规划约束、路径规划约束和运动控制参数。
[0022] 进一步地,本发明依据所述执行结果和所述运行状态,获得调整策略,包括:判断执行结果是否满足预设的第一条件和运行状态是否满足预设的第二条件;
[0023] 若所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,调整策略为不调整下一控制周期的控制参数;
[0024] 若所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,调整策略为调整下一控制周期的控制参数中的路径规划约束;
[0025] 若所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,调整策略为调整下一控制周期的控制参数中的运动控制参数;
[0026] 若所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,调整策略为:首先,判断空间机构是否出现故障,如果判断出空间机构出现故障,则进一步确定故障源,依据确定的故障源,对空间机构进行故障排除,再调整下一控制周期的控制参数中的任务规划约束;
[0027] 如果判断出空间机构未出现故障,则直接调整下一控制周期的控制参数中的任务规划约束。
[0028] 进一步地,本发明判断执行结果是否满足预设的第一条件为:
[0029] 令第i个任务相关性能参数的检测值表示为Ii,其中,i=1,2,3,…,n,n为任务相关性能参数中参数的个数;
[0030] 在已经执行完的m个控制周期中,第i个任务相关性能参数的检测值与对应的目标值的误差表示为ΔIij,其中,j=1,2,3…,m;
[0031] 从m个控制周期中取最后的k个控制周期,计算k个控制周期内第i个任务相关性能参数的累计误差Qit:
[0032]
[0033] 其中,t为当前控制周期;
[0034] 判断任务相关性能参数的累计误差Qit与对应的事先设定的阈值 的大小,若所有的任务相关性能参数的累计误差Qit均小于对应的阈值 执行结果满足预设的第一条件,否则,执行结果不满足预设的第一条件;
[0035] 判断运行状态是否满足预设的第二条件为:
[0036] 令第i′个代价相关性能参数的检测值为Ci′,其中,i′=1,2,3,…,n′,n′为代价相关性能参数中参数的个数;
[0037] 在已经执行完的m个控制周期中,代价相关性能参数对应的检测值为Ci′j,其中,j=1,2,3…,m;
[0038] 从m个控制周期中取最后的k个控制周期,计算k个控制周期内第i′个代价相关性能参数的检测值的累计值Li′t:
[0039]
[0040] 其中,t为当前控制周期;
[0041] 判断代价相关性能参数的检测值的累计值Li′t与对应的事先设定的阈值 的大小,若所有代价相关性能参数的检测值的累计值Li′t均小于对应的阈值 运行状态满足预设的第二条件;否则,运行状态不满足预设的第二条件。
[0042] 进一步地,本发明用于执行该控制方法的控制系统,该系统包括检测单元、决策单元、调整单元及控制执行单元,其中:
[0043] 检测单元,用于在任务的一个控制周期结束后,检测空间机构的使用可靠性影响参数,获得所述使用可靠性影响参数的检测值;
[0044] 决策单元,用于依据所述使用可靠性影响参数的检测值,获得调整策略;
[0045] 调整单元,用于依据所述调整策略,对任务的下一控制周期的预设控制参数进行调整,获得调整后的控制参数;
[0046] 控制执行单元,用于在任务的下一控制周期到来时,依据所述调整后的控制参数控制空间机构执行任务。
[0047] 本发明具有如下有益效果:
[0048] 本发明对空间机构的使用可靠性影响参数进行检测,获得检测值,依据检测值确定调整策略,以实现对下一控制周期的控制参数的调整,从而可以控制空间机构在下一控制周期的任务执行,因此本发明能够实现在出现影响空间机构的使用可靠性的因素时,及时地对空间机构的控制参数进行调整,提高空间机构的使用可靠性,延长空间机构的使用寿命,降低空间机构的使用成本和维修成本。附图说明
[0049] 图1是本发明实施例所提供的机械臂的控制方法的流程示意图;
[0050] 图2是本发明实施例中使用可靠性影响参数与控制参数的映射示意图;
[0051] 图3是本发明实施例中磨损的曲面示意图;
[0052] 图4是本发明实施例所提供的机械臂的控制系统的结构示意图;
[0053] 图5是本发明实施例的控制方法与现有技术的控制方法的第一效果示意图;
[0054] 图6是本发明实施例的控制方法与现有技术的控制方法的第二效果示意图。

具体实施方式

[0055] 下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
[0056] 采用本发明对机械臂控制的控制周期是指,控制系统从数据采集到控制运算再到控制信号输出这一系列动作到下次从数据采集到控制运算再到控制信号输出这一系列动作之间的间隔。
[0057] 采用本发明对机械臂各周期的控制形式相同,因此本实施例以第一控制周期和第二控制周期为例。本发明以机械臂为例,对其控制方法进行详细说明,如图1所示,该方法包括以下步骤:
[0058] 步骤101,任务的第一控制周期结束后,检测机械臂的使用可靠性影响参数,获得所述使用可靠性影响参数的检测值。
[0059] 具体的,机械臂的控制主要包括三个部分,即任务规划、路径规划和运动控制,其中:
[0060] 机械臂的任务规划单元需要输入机械臂所需执行任务的任务规划约束,如任务目标(如任务的时间)、机械臂的约束(如机械臂每个关节的度和速度)、环境障碍(如障碍的尺寸和位置)等;任务规划单元依据输入的任务规划约束,对一个完整的任务进行任务拆分,从而获得至少两个子任务;然后,任务规划单元依据任务规划约束,确定每个子任务的中间点;每个子任务的中间点可以是一个或多个。任务规划单元在确定中间点后,将确定的中间点发送给路径规划单元。
[0061] 机械臂的路径规划单元依据中间点和预设的路径规划约束,为机械臂生成每两个中间点之间的执行路径,所述执行路径为机械臂在两个中间点之间的移动路径,依据该执行路径,机械臂就可以按照规划的执行路径进行移动,以完成指定的任务。路径规划单元将获得的执行路径发送给机械臂的控制执行单元,其中,路径规划单元发送给控制执行单元的执行路径可以为时域内离散化的关节角序列,关节角序列中的每个元素中包括时间和关节角,通过关节角可以控制机械臂的位置,因此,关节角序列用于指示机械臂在哪个时间出现在哪个位置;其中,所述关节角指的是机械臂上关节的旋转角度。
[0062] 机械臂的控制执行单元依据收到的关节角序列以及预设的运动控制参数,控制机械臂执行所述任务。
[0063] 预先在控制执行单元设置至少两个控制周期,控制执行单元在控制机械臂执行上述任务过程中,在每个控制周期结束后,都检测机械臂的使用可靠性影响参数,为了方便说明,本发明实施例以第一控制周期和第二控制周期为例进行说明,即任务的第一控制周期结束后,可以利用传感器对机械臂的使用可靠性影响参数进行检测,从而获得使用可靠性影响参数的检测值。
[0064] 在本发明实施例中,所述机械臂可以为空间机械臂。
[0065] 如图2所示,依据可靠性理论,预先确定机械臂的使用可靠性影响参数,其中,所述使用可靠性影响参数可以包括任务相关性能参数和代价相关性能参数。
[0066] 依据空间机械臂在轨任务需求,将其典型在轨任务分为空载转移、目标捕获、负载搬运和在轨装配。针对每种任务,分析影响任务完成和完成效果的主要因素,从而确定任务相关性能参数;如图2所示,所述任务相关性能参数可以包括以下信息中至少一个:末端位置、末端速度和碰撞力。对于代价相关性能参数,可以先依据机械臂的工作特点和工程经验对代价进行分类,如磨损、电子元件性能衰减或失效、机构变形等,在此基础上分别分析每种代价的影响因素,从而确定代价相关性能参数,如磨损的影响因素是负载、速度、温度,电子元件性能衰减的影响因素是功耗、温度、使用频率,机构变形的影响因素是碰撞、过载等;如图2所示,所述代价相关性能参数可以包括以下信息中至少一个:速度、负载、温度和使用频率。
[0067] 综合上述信息,最终可以确定使用可靠性的影响参数,基于确定的使用可靠性的影响参数,分别建立每个影响参数的数学模型,将模型自变量划分为可控参数和不可控参数,因此,在机械臂的控制过程中,可以通过调整控制参数来提高机械臂的使用可靠性,提高执行任务的成功率,延长机械臂的使用寿命。
[0068] 在任务的第一控制周期结束后,利用传感器检测机械臂的使用可靠性影响参数,获得所述使用可靠性影响参数的检测值,由于,所述使用可靠性影响参数包括所述任务相关性能参数和代价相关性能参数,因此,所述检测值包括任务相关性能参数的检测值和代价相关性能参数的检测值。
[0069] 步骤102,依据所述使用可靠性影响参数的检测值,获得调整策略。
[0070] 具体的,依据所述任务相关性能参数的检测值,获得所述任务在第一控制周期的执行结果;依据所述代价相关性能参数的检测值,获得所述任务在所述第一控制周期的运行状态;依据所述执行结果和所述运行状态,获得所述调整策略。
[0071] 本发明实施例中,所述调整策略可以为:不调整下一控制周期的预设控制参数或者调整下一控制周期的预设控制参数,所述下一控制周期的预设控制参数是执行任务之前,预先为任务配置好的。其中,控制参数可以包括以下信息中至少一个:任务的任务规划约束、任务的路径规划约束、任务的运动控制参数;因此,所述调整控制参数包括:调整所述任务的任务规划约束、调整所述任务的路径规划约束、调整所述任务的运动控制参数。
[0072] 其中,依据所述执行结果和所述运行状态,获得所述调整策略的方法包括:
[0073] 判断执行结果是否满足预设的第一条件,以及判断运行状态是否满足预设的第二条件。
[0074] 若判断出所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,表示机械臂执行任务的效果与预期效果吻合,且运行状态也合理,则获得的调整策略是不需要调整下一控制周期的控制参数。
[0075] 若判断出所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,表示机械臂执行任务的效果与预期效果吻合,但运行状态不合理,则获得的调整策略是调整下一控制周期的控制参数中的路径规划约束。
[0076] 若判断出所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,表示机械臂执行任务的效果与预期效果不吻合,但运行状态合理,则获得的调整策略是调整下一控制周期的控制参数中的运动控制参数。
[0077] 若判断出所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,表示机械臂执行任务的效果与预期效果不吻合,且运行状态不合理,则需要先判断机械臂是否出现故障,如果判断出机械臂出现故障,则进一步确定故障源,依据确定的故障源,对机械臂进行故障排除处理,例如,机械臂的7个关节中有1个关节出现故障,则住该关节,以保证机械臂在故障状态下可以继续执行任务,然后再调整第二控制周期的任务规划约束;如果判断出机械臂未出现故障,则获得的调整策略是需要调整第二控制周期的控制参数中的任务规划约束。
[0078] 例如,判断执行结果是否满足预设的第一条件可以为:
[0079] 如图2所示的映射关系,第i个任务相关性能参数的检测值为:
[0080] Ii,i=1,2,3,…,n,其中,n为任务相关性能参数中参数的个数。
[0081] 在已经执行完的m个控制周期中,第i个任务相关性能参数对应的检测值与对应的目标值的误差为:ΔIij,j=1,2,3…,m。
[0082] 从m个控制周期中取最后的k个控制周期,计算k个控制周期内第i个任务相关性能参数的累计误差,这里,为了保证误差标量化,利用如下公式进行计算:
[0083]
[0084] 其中,Qit为第i个任务相关性能参数的累计误差,t为当前控制周期(t>k)。
[0085] 依次判断每个任务相关性能参数的累计误差Qit与事先设定的阈值 的大小,若所有任务相关性能参数的累计误差Qit小于对应的阈值 认为执行结果满足预设的第一条件,执行效果与预期的执行效果吻合;若有一个或多个任务相关性能参数的累计误差大于或等于阈值 认为执行结果不满足预设的第一条件,执行效果与预期的执行效果不吻合。
[0086] 例如,判断运行状态是否满足预设的第二条件可以为:
[0087] 如图2所示的映射关系,第i个代价相关性能参数的检测值包括:
[0088] Ci,i=1,2,3,…,n
[0089] 其中,Ci为代价相关性能参数的检测值;n为代价相关性能参数中参数的个数。
[0090] 在已经执行完的m个控制周期中,第i个代价相关性能参数对应的检测值为:
[0091] Cij,i=1,2,3,…,n;j=1,2,3…,m
[0092] 其中,Cij为代价相关性能参数的检测值;
[0093] 从m个控制周期中取最后的k个控制周期,计算k个控制周期内第i个代价相关性能参数的检测值的累计值:
[0094]
[0095] 其中,Lit为代价相关性能参数的检测值的累计值;t为当前控制周期。
[0096] 依次判断每个代价相关性能参数的检测值的累计值Lit与事先设定的阈值 的大小,若所有代价相关性能参数的检测值的累计值Lit小于对应的阈值 认为运行状态满足预设的第二条件,运行状态不合理;否则,认为运行状态不满足预设的第二条件,运行状态合理。
[0097] 步骤103,依据所述调整策略,获得第二控制周期的控制参数。
[0098] 具体的,可以对第二控制周期内机械臂所执行任务的任务规划约束进行调整;例如,调整任务的任务目标(如任务的起始位置、末端位置)、机械臂的约束(如机械臂中每个臂杆的长度、每个关节的角度)、环境障碍(如障碍的尺寸和位置)等。
[0099] 还可以对第二控制周期内机械臂所执行任务的路径规划约束进行调整;例如,调整机械臂的角度范围或角速度范围;所述角度范围指的是机械臂上的关节可以旋转的角度,所述角速度范围指的是机械臂在执行任务可以以该角速度范围内的角速度移动,移动时机械臂的角速度不能超出该角速度范围。
[0100] 还可以对第二控制周期内机械臂所执行任务的运动控制参数进行调整;例如,以PID控制器为例,如果利用PID控制器对机械臂进行控制,那么运动控制参数包括比例系数Kp、积分时间长度Ti和微分时间长度Td。
[0101] 需要说明的是,若调整任务规划约束,那么任务规划单元需要依据调整后的任务规划约束,重新进行任务拆分,重新确定每个子任务的中间点,那么路径规划单元也需要依据重新确定的中间点,重新规划机械臂的执行路径。
[0102] 步骤104,在任务的第二控制周期内,依据所述调整后的控制参数,控制所述机械臂执行任务。
[0103] 具体的,在获得调整后的控制参数后,由于第一控制周期结束,第二控制周期开始,则需要依据调整后的控制参数对机械臂进行控制,以控制机械臂在第二控制周期内依据调整后的控制参数来执行任务,从而实现在每个执行周期结束后,可以自动对下一个控制周期的控制参数进行调整,以控制机械臂能够更准确的完成任务,以及延长机械臂的使用寿命。
[0104] 例如,依据调整后的路径规划约束,在第二控制周期内执行任务时,需要以路径规划约束中包含的角速度为约束,不能超出该角速度范围。
[0105] 实施例
[0106] 下面以空间机械臂的空载转移任务为例,对机械臂的控制方法进行举例说明。本实施例中,机械臂的空载转移任务的任务相关性能参数是末端位置,代价相关性能参数是关节的磨损,并且只考虑速度对磨损的影响。
[0107] 利用传感器,如旋转变压器,检测每个控制周期的机械臂的关节角的实际值,依据实际值和目标值的差值,获得关节角的误差,依据机械臂运动学正解,获得末端位置的误差;计算k个控制周期内的末端位置的误差的模的平方和,依据计算结果判断执行结果,若计算结果小于阈值,则执行结果满足预设的第一条件,任务的执行效果与预期效果吻合。若计算结果大于或等于阈值,则执行结果不满足预设的第一条件,任务的执行效果与预期效果不吻合。
[0108] 依据摩擦学理论,运动副磨损必然带来功耗的损失,从而引起机械臂工作电流的增加,通过传感器检测电流值,若电流大于合理的阈值,运行状态不满足预设的第二条件,运动状态不合理,需要调整控制参数,若电流小于或等于合理的阈值,运行状态满足预设的第二条件,运动状态合理,不需要调整控制参数。
[0109] 依据执行结果是否满足预设的第一条件,以及运行状态是否满足预设的第二条件,确定调整策略;若调整策略是不调整控制参数,则机械臂继续执行任务,若调整策略是调整控制参数,则可以对任务规划约束、路径规划约束和运动控制参数进行调整。
[0110] 例如,本实施例需要调整路径规划约束,依据关节角的误差和关节的磨损,确定当前时刻误差最小的关节角范围,以及当前时刻磨损最小的关节的角速度。
[0111] 其中,不同关节角下误差分布为:
[0112] e~F(p1(θ),p2(θ),…,pn(θ))
[0113] 其中,e为关节角的误差,θ为关节角的大小,F(·)为误差的概率分布,p1(θ)、p2(θ)、……、pn(θ)为F(·)的参数。
[0114] 其中,不同关节的角速度下的磨损率为:
[0115]
[0116] 其中, 为磨损率, 为关节的角速度,t为机械臂的服役时间,G(·)为磨损的曲面特性,该磨损的曲面可以如图3所示。
[0117] 当确定关节角和关节的角速度后,依据确定的关节角和关节的角速度对当前的路径规划约束进行调整,以确定的关节角和关节的角速度作为新的路径规划约束,依据新的路径规划约束控制机械臂在第二控制周期内执行相应的任务。
[0118] 本发明实施例进一步给出实现上述方法实施例中各步骤及方法的装置实施例。
[0119] 请参考图4,其为本发明实施例所提供的机械臂的控制系统的结构示意图。如图所示,该系统包括:
[0120] 检测单元40,用于在任务的第一控制周期结束后,检测机械臂的使用可靠性影响参数,以获得所述使用可靠性影响参数的检测值;
[0121] 决策单元41,用于依据所述使用可靠性影响参数的检测值,获得调整策略;
[0122] 调整单元42,用于依据所述调整策略,对第二控制周期内所述任务的控制参数进行调整,以获得调整后的控制参数;
[0123] 控制执行单元43,用于在任务的下一控制周期到来时,依据所述调整后的控制参数,控制所述机械臂执行所述任务。
[0124] 其中,所述使用可靠性影响参数包括任务相关性能参数和代价相关性能参数;所述任务相关性能参数包括以下信息中至少一个:末端位置、末端速度、碰撞力;所述代价相关性能参数包括以下信息中至少一个:速度、负载、温度、使用频率。
[0125] 其中,所述决策单元41,具体用于:
[0126] 依据所述任务相关性能参数的检测值,获得所述任务在所述第一控制周期的执行结果;依据所述代价相关性能参数的检测值,获得所述任务在所述第一控制周期的运行状态;依据所述执行结果和所述运行状态,获得所述调整策略。
[0127] 其中,所述调整策略为不调整第二控制周期的控制参数或调整第二控制周期的控制参数;所述第二控制周期的控制参数包括以下信息中至少一个:任务规划约束、路径规划约束、运动控制参数。
[0128] 其中,所述决策单元41,具体用于:
[0129] 若所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,不调整所述第二控制周期的控制参数;
[0130] 若所述执行结果满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,调整第二控制周期的控制参数中的路径规划约束;
[0131] 若所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态满足预设的第二条件,调整第二控制周期的控制参数中的运动控制参数;
[0132] 若所述执行结果不满足预设的第一条件,且所述运行状态不满足预设的第二条件,调整第二控制周期的控制参数中的任务规划约束。
[0133] 本发明实施例的技术方案中,对机械臂的使用可靠性影响参数进行检测,获得检测值,依据检测值确定调整策略,以实现对第二控制周期的控制参数的调整,从而可以控制机械臂在第二个控制周期的任务执行,因此能够实现在出现影响机械臂的使用可靠性的因素时,及时地对机械臂的控制参数进行调整,因此可以提高机械臂的使用可靠性,从而延长机械臂的使用寿命,降低机械臂的使用成本和维修成本。
[0134] 请参考图5,其为本发明实施例的控制方法与现有技术的控制方法的第一效果示意图,如图所示,以关节角为例,利用本发明实施例的控制方法关节角的累积误差(图5中实线所示的累积误差),与传统的控制方法的关节角的累积误差(图5中虚线示的累积误差)相比,累积误差的区间更接近坐标系原点,因此,执行结果更加符合预期效果,执行任务的精度更高。
[0135] 请参考图6,其为本发明实施例的控制方法与现有技术的控制方法的第二效果示意图,以磨损为例,利用本发明实施例的控制方法与利用传统的控制方法的长期执行相同的任务,本发明实施例的控制方法控制的机械臂的磨损量(图6中实线所示的磨损量)小于传统的控制方法控制的机械臂的磨损量(图6中虚线所示的磨损量),因此,本发明实施例的控制方法控制机械臂,将延长机械臂的服役期。
[0136] 综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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