基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器。所述的視覺伺服機(jī)械臂系統(tǒng)由視覺伺服控制器、視覺模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械臂模塊、速度與位置采集模塊和檢測模塊組成；上述視覺伺服控制器中的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器用于逼近受隨機(jī)擾動(dòng)的機(jī)械臂未知?jiǎng)討B(tài)，該逼近器包含：模糊逼近器和自適應(yīng)模塊；所述的自適應(yīng)模塊通過在線調(diào)整模糊逼近器中的參數(shù)，使得模糊逼近器的輸出與要逼近的機(jī)械臂系統(tǒng)之間的誤差始終保持在有界的誤差內(nèi)，并隨時(shí)間誤差趨于零；在機(jī)械臂動(dòng)態(tài)特性未知且受隨機(jī)擾動(dòng)的情況下，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性與提高圖像平面上的軌跡跟蹤精度。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器，具體涉及模糊系統(tǒng)在視覺伺服機(jī)械臂系統(tǒng)上的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
中國工程院院長宋健指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大正引起國際上重新認(rèn)識機(jī)器人技術(shù)的作用和影響。機(jī)器人的研究是自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能等多個(gè)學(xué)科交叉的產(chǎn)物，代表機(jī)電一體化的發(fā)展成果。機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在生活、娛樂、服務(wù)、醫(yī)療，工業(yè)與國防軍事等各個(gè)領(lǐng)域，如管家機(jī)器人，清潔機(jī)器人，焊接機(jī)器人，無人機(jī)等，隨著機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜性不斷增加，需求日益商品化，并要求它能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境。機(jī)器人的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其工作環(huán)境發(fā)生了很大變化：從室內(nèi)環(huán)境發(fā)展到空、天、地、海等各種環(huán)境；從簡單、規(guī)則的環(huán)境發(fā)展到復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境；從已知環(huán)境發(fā)展到未知環(huán)境(全部或部分)。這就要求機(jī)器人智能化程度不斷提高，自主能力不斷增強(qiáng)，從而對傳感器的智能性提出了更高的要求，視覺傳感器具有較高的智能和優(yōu)勢。隨著大規(guī)模集成電路、專用集成電路、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的飛速發(fā)展，視覺傳感器的可以提供豐富的信息，進(jìn)行極大的計(jì)算量，因此視覺傳感器在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用越來越受到人們的重視，并表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。視覺伺服的機(jī)器人系統(tǒng)具有以下的有點(diǎn)：1)視覺傳感器系統(tǒng)本身所需要的能量很少，比較適合能源緊張的移動(dòng)機(jī)器人使用；2)提供了豐富的信息，不僅含有顏色、幾何形狀等表面信息，而且包含較高精度的距離等隱性信息；3)視覺傳感器相互之間沒有“污染”，而且受外界的干擾也小，可以更加穩(wěn)定、可靠地工作；4)視覺傳感器采樣周期短，采樣速度快，有利于及時(shí)地提供信息。因此，國內(nèi)外研究人員開始關(guān)注和研究機(jī)器人視覺伺服控制算法始于上世紀(jì)80年代末，并且在機(jī)器人視覺的研究多側(cè)重于視覺檢測、視覺導(dǎo)引控制、移動(dòng)機(jī)器人視覺導(dǎo)航等方面。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所是國內(nèi)率先對此領(lǐng)域展開了研究機(jī)構(gòu)，主要是針對視覺導(dǎo)航技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人上應(yīng)用的研究。進(jìn)入90年代后，人們逐漸認(rèn)識到視覺伺服系統(tǒng)在機(jī)器人視覺控制應(yīng)用方面價(jià)值，國內(nèi)外的多所高校和研究所也都紛紛開展了針對機(jī)器人視覺伺服課題的研究。根據(jù)圖像檢測與控制指令發(fā)出的先后順序不同，可將視覺控制方法劃分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種；根據(jù)反饋信號的表達(dá)方式，分為基于圖像、基于位置和混合視覺的控制方式；根據(jù)物理結(jié)構(gòu)攝像機(jī)有兩種主要的安裝方式：眼固定構(gòu)型和眼在手上構(gòu)型。在本專利技術(shù)中，采用動(dòng)態(tài)的眼固定構(gòu)型的基于圖像控制的伺服控制機(jī)械臂系統(tǒng)。目前，在上述所采用的視覺伺服機(jī)械臂系統(tǒng)中，存在若干研究上的難題：1)目前的機(jī)器人視覺系統(tǒng)大都需要對攝像機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，可想而知標(biāo)定是比較繁瑣，無標(biāo)定技術(shù)為我們解決了這一難題，無標(biāo)定的視覺伺服系統(tǒng)可分為基于位置和基于圖像兩類，前者的攝像機(jī)參數(shù)是通過特定場景自標(biāo)定或者在線進(jìn)行標(biāo)定，后者直接將攝像機(jī)參數(shù)與機(jī)器人參數(shù)融入雅克比矩陣，不需參數(shù)估計(jì)，但無論是攝像機(jī)參數(shù)的自標(biāo)定、在線標(biāo)定或者圖像雅克比矩陣的估計(jì)，其都屬于視覺自學(xué)習(xí)的范疇，如何改進(jìn)視覺系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)將是機(jī)器人視覺領(lǐng)域的一個(gè)由于重要研究方向。2)在很多的生產(chǎn)，軍事，娛樂場合下，機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特性由于隨時(shí)間損耗發(fā)生變化或者發(fā)生被改裝結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等改變機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特性，在未知機(jī)械臂動(dòng)態(tài)特性以及受到隨機(jī)干擾情況下，難以設(shè)計(jì)控制器控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，更加難以保證視覺伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和最后的圖像跟蹤精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于考慮上述視覺伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)在未知機(jī)械臂動(dòng)態(tài)以及受到隨機(jī)擾動(dòng)影響而提供一種基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器，包括有視覺伺服控制器、視覺模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、檢測模塊、機(jī)械臂、位置采集模塊與速度采集模塊組成；視覺伺服控制器由控制信號發(fā)生單元、自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置、通信單元、計(jì)算機(jī)運(yùn)算單元和機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器組成；其特征在于，在機(jī)械臂動(dòng)態(tài)未知且受隨機(jī)干擾的情況下，視覺伺服控制器必須保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與圖像平面上的跟蹤精度。視覺伺服控制器接收圖像處理單元得到的實(shí)際圖像軌跡和期望的圖像軌跡形成的誤差信號、由位置采集模塊采集的位置信號、由速度采集模塊采集的速度信號傳遞到控制器變量存儲(chǔ)器，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算運(yùn)算單元運(yùn)算，由機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器逼近機(jī)械臂未知且受干擾的動(dòng)態(tài)，由伺服視覺控制器與視覺模塊之間的通信單元進(jìn)行信息交換通過自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置在線標(biāo)定相機(jī)，由控制信號發(fā)生單元給控制模塊發(fā)送控制信號；運(yùn)動(dòng)控制模塊調(diào)制PWM波于驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)械臂模塊運(yùn)動(dòng)；由檢測模塊檢測驅(qū)動(dòng)模塊中的電機(jī)電流、速度和位置信息，并反饋與運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；視覺模塊采集機(jī)械臂模塊末端特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)并反饋于控制器的輸入，在未知機(jī)械臂動(dòng)態(tài)特性及受隨機(jī)擾動(dòng)的情況下依然保持良好的控制器性能。上述的動(dòng)態(tài)模糊逼近器可以以很高的精度逼近基于視覺伺服的受隨機(jī)擾動(dòng)的未知機(jī)械臂動(dòng)態(tài)，它包含模糊逼近器和自適應(yīng)模塊；其中模糊逼近器包含單值模糊器、模糊規(guī)則庫、乘積推理機(jī)和中心平均解模器；自適應(yīng)模塊包含參數(shù)初值存儲(chǔ)器、自適應(yīng)律存儲(chǔ)器和參數(shù)調(diào)整值存儲(chǔ)器。上述的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器中，模糊逼近器的單值模糊器接收從控制變量存儲(chǔ)器傳遞的輸入(關(guān)節(jié)角q、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)加速度、關(guān)節(jié)域參考速度和關(guān)節(jié)域參考加速度)并對輸入變量進(jìn)行模糊化，乘積推理機(jī)根據(jù)模糊規(guī)則庫中的IF-THEN規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后由中心平均解模器對模糊變量進(jìn)行解模糊化，得到模糊逼近器對非線性未知機(jī)械臂系統(tǒng)的逼近輸出為；根據(jù)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程，力矩與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系可以表示為：H(q)q··+(1/2H·(q)+C(q,q·))q·+g(t)-fd=τ]]>其中fd表示未知干擾。實(shí)際的非線性機(jī)械臂系統(tǒng)輸入的力矩τ，用模糊逼近器進(jìn)行逼近數(shù)學(xué)形式可以表示為：τ=T(q,q·,q··,q·r,q··r)+ϵ]]>其中ε為逼近誤差。上述的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器中，自適應(yīng)模塊接收了控制變量存儲(chǔ)器中傳遞的變量關(guān)節(jié)速度誤差，自適應(yīng)律存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了自適應(yīng)律的編程代碼，用數(shù)學(xué)形式可以表達(dá)為：其中下標(biāo)j表本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器，包括有視覺伺服控制器(1)、視覺模塊(2)、運(yùn)動(dòng)控制模塊(3)、驅(qū)動(dòng)模塊(4)、檢測模塊(5)、機(jī)械臂(6)、位置采集模塊(7)與速度采集模塊(8)組成；視覺伺服控制器(1)由控制信號發(fā)生單元(11)、自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置(12)、通信單元(13)、計(jì)算機(jī)運(yùn)算單元(14)和自適應(yīng)模糊機(jī)械臂動(dòng)態(tài)逼近器(15)組成；其特征在于，在機(jī)械臂動(dòng)態(tài)未知且受隨機(jī)干擾的情況下，視覺伺服控制器(1)必須保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與圖像平面上的跟蹤精度；其特征在于：視覺伺服控制器(1)接收圖像處理單元(23)得到的實(shí)際圖像軌跡和期望的圖像軌跡形成的誤差信號、由位置采集模塊(7)采集的位置信號、由速度采集模塊(8)采集的速度信號傳遞到控制器變量存儲(chǔ)器(16)，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算運(yùn)算單元(14)運(yùn)算，由自適應(yīng)模糊機(jī)械臂動(dòng)態(tài)逼近器(15)逼近機(jī)械臂未知且受干擾的動(dòng)態(tài)，由伺服視覺控制器(1)與視覺模塊(2)之間的通信單元(13)(21)進(jìn)行信息交換通過自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置(13)在線標(biāo)定相機(jī)，由控制信號發(fā)生單元(11)給控制模塊(3)發(fā)送控制信號；運(yùn)動(dòng)控制模塊(3)調(diào)制PWM波于驅(qū)動(dòng)模塊(4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)械臂模塊(6)運(yùn)動(dòng)；由檢測模塊(5)檢測驅(qū)動(dòng)模塊(4)中的電機(jī)電流、速度和位置信息，并反饋與運(yùn)動(dòng)控制模塊(3)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；視覺模塊(2)采集機(jī)械臂模塊(6)末端特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)并反饋于控制器(1)的輸入，在未知機(jī)械臂動(dòng)態(tài)特性及受隨機(jī)擾動(dòng)的情況下依然保持良好的控制器性能。...

【技術(shù)特征摘要】
1.基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器，包括有視覺伺服控制器(1)、視覺模塊
(2)、運(yùn)動(dòng)控制模塊(3)、驅(qū)動(dòng)模塊(4)、檢測模塊(5)、機(jī)械臂(6)、位置采集模塊(7)
與速度采集模塊(8)組成；視覺伺服控制器(1)由控制信號發(fā)生單元(11)、自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)
定裝置(12)、通信單元(13)、計(jì)算機(jī)運(yùn)算單元(14)和自適應(yīng)模糊機(jī)械臂動(dòng)態(tài)逼近器(15)
組成；其特征在于，在機(jī)械臂動(dòng)態(tài)未知且受隨機(jī)干擾的情況下，視覺伺服控制器(1)必須保
證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與圖像平面上的跟蹤精度；其特征在于：視覺伺服控制器(1)接收圖像
處理單元(23)得到的實(shí)際圖像軌跡和期望的圖像軌跡形成的誤差信號、由位置采集模塊(7)
采集的位置信號、由速度采集模塊(8)采集的速度信號傳遞到控制器變量存儲(chǔ)器(16)，通
過計(jì)算機(jī)運(yùn)算運(yùn)算單元(14)運(yùn)算，由自適應(yīng)模糊機(jī)械臂動(dòng)態(tài)逼近器(15)逼近機(jī)械臂未知
且受干擾的動(dòng)態(tài)，由伺服視覺控制器(1)與視覺模塊(2)之間的通信單元(13)(21)進(jìn)行
信息交換通過自適應(yīng)相機(jī)標(biāo)定裝置(13)在線標(biāo)定相機(jī)，由控制信號發(fā)生單元(11)給控制
模塊(3)發(fā)送控制信號；運(yùn)動(dòng)控制模塊(3)調(diào)制PWM波于驅(qū)動(dòng)模塊(4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)械
臂模塊(6)運(yùn)動(dòng)；由檢測模塊(5)檢測驅(qū)動(dòng)模塊(4)中的電機(jī)電流、速度和位置信息，并
反饋與運(yùn)動(dòng)控制模塊(3)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；視覺模塊(2)采集機(jī)械臂模塊(6)末端特征點(diǎn)的
圖像坐標(biāo)并反饋于控制器(1)的輸入，在未知機(jī)械臂動(dòng)態(tài)特性及受隨機(jī)擾動(dòng)的情況下依然保
持良好的控制器性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器，其特征在于：該
逼近器可以以很高的精度逼近基于視覺伺服的受隨機(jī)擾動(dòng)的未知機(jī)械臂動(dòng)態(tài)，它包含模糊逼
近器(151)和自適應(yīng)模塊(152)；其中模糊逼近器(151)包含單值模糊器(1511)、模糊規(guī)
則庫(1512)、乘積推理機(jī)(1513)和中心平均解模器(1514)；自適應(yīng)模塊包含參數(shù)初值存
儲(chǔ)器(1521)、自適應(yīng)律存儲(chǔ)器(1522)和參數(shù)調(diào)整值存儲(chǔ)器(1523)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺伺服系統(tǒng)的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模糊逼近器，其特征在于：模
糊逼近器(151)的單值模糊器(1511)接收從控制變量存儲(chǔ)器(16)傳遞的輸入(關(guān)節(jié)角q、
關(guān)節(jié)速度關(guān)節(jié)加速度關(guān)節(jié)域參考速度和關(guān)節(jié)域參考加速度)并對輸入變量進(jìn)行
模糊化，乘積推理機(jī)(1513)根據(jù)模糊規(guī)則庫(1512)中的IF-THEN規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最
后由中心平均解模器(1514)對模糊變量進(jìn)行解模糊化，得到模糊逼近器對非線性未知機(jī)械
臂系統(tǒng)的逼近輸出為根據(jù)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程，力矩與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系
可以表示為：
H(q)q··+(1/2H·(q)+C(q,q·))q·+g(t)-fd=τ]]>其中fd表示未知干擾，實(shí)際的非線性機(jī)械臂系統(tǒng)輸入的力矩τ，用模糊逼近器(151)進(jìn)

\t行逼近數(shù)學(xué)形式可以表示為：其中ε...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉治，王福杰，宋路露，楊智斌，章云，
申請(專利權(quán))人：廣東工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東;44