四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法及系統技術方案

本發明專利技術公開一種四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法，通過將需要加工成型的三維零件轉換為同質曲線簇軌跡，再依次提取其中曲線作為系統跟蹤的期望軌跡，使得迭代學習控制可以單獨適用，從而使得迭代學習控制可以對這類軌跡群進行有效適用，進而完成三維零件的加工；通過對前一條期望軌跡學習所得的控制信息進行有效繼承，使得跟蹤當前期望軌跡時的初次迭代控制信息不再從零開始學習，因而大大加快了系統的學習速度，降低了迭代次數，從而極大地提升了工作效率。并且，應用該設計方法的工業機器人系統，可以加工傳統回旋體設備不能加工的基面軌跡為任意形狀的三維零件，極大地提高了工業零件的多樣性，非常適用于工業中的個性化零件生產。

Design method of industrial robot based on four axis iterative learning control and industrial robot system

The invention discloses an industrial robot design method of four axis iterative learning control. By converting the 3D parts that need processing into homogenous curve cluster trajectories, the curve is extracted in turn as the desired trajectory of the system tracking, so that the iterative learning control can be used individually, so that the iterative learning control can be controlled. This kind of trajectory group is effectively applied to complete the processing of three dimensional parts. Through the effective inheritance of the control information obtained from the previous expected trajectory learning, the initial iterative control information of the current desired trajectory is no longer learning from zero. Thus, the learning speed of the system is greatly accelerated and the iteration is reduced. The number of generations has greatly improved the efficiency of work. In addition, the industrial robot system using this design method can process three dimensional parts with arbitrary shape, which can not be machined by the traditional gyrotron equipment. It greatly improves the diversity of industrial parts, and is very suitable for the production of individual parts in industry.

【技術實現步驟摘要】
四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法及工業機器人系統
本專利技術屬于軌跡跟蹤控制
，尤其涉及一種四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法及工業機器人系統。
技術介紹
工業機器人技術目前是科學界和工業界研究的熱點之一，而其操作終端的軌跡跟蹤問題一直是研究的核心問題。迭代學習控制(ILC)適合于一類具有重復運行特性的被控對象，其任務是尋找理想控制輸入，使得被控系統的實際輸出軌跡在有限時間區間上沿整個期望輸出軌跡實現零誤差的完全跟蹤，并且整個控制過程要求快速完成。雖然迭代學習控制方法可以實現對期望軌跡的完全跟蹤，但是現有的方法要求期望軌跡嚴格一致，只要期望軌跡發生任意改變，迭代學習控制的控制信息均從零值開始重新學習，先前學習所得的控制信息都不能有效利用。對于軌跡跟蹤問題的研究，現有的文獻主要是對單一軌跡展開的，還沒有對具有某種屬性的軌跡群進行分析的。傳統迭代學習控制具有三軸，分別是時間軸、迭代軸和幅值軸，對于期望軌跡為單一軌跡的跟蹤問題，具有三軸的傳統ILC可以適用，然而對于期望軌跡是由若干軌跡組成的軌跡群的跟蹤問題，具有三軸的傳統ILC不再能有效適用。傳統回旋體設備只能加工出基面為正圓軌跡的零件，而不能加工出基面為任意形狀的三維零件。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術的第一目的是提供一種四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法。本專利技術解決所述技術問題的技術方案是，設計一種四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法，該方法包括：步驟1：根據工業機器人需要加工處理的三維零件建立其相應的同質曲線簇軌跡；步驟2：選定工業機器人的運動機構作為分析對象，并建立其動力學模型；步驟3：提取同質曲線簇軌跡中的基軌跡作為系統跟蹤的期望軌跡，并預設初次迭代的控制信息為零，跳轉至步驟6；步驟4：使跟蹤的當前期望軌跡指向同質曲線簇軌跡中的下一條，并判斷跟蹤的上一條軌跡是否為終軌跡，若是終軌跡，則完成了同質曲線簇軌跡的跟蹤過程，即工業機器人實現了對三維零件的加工，結束；否則，進入下一步；步驟5：對上一條期望軌跡學習所得的有效控制信息進行修正，并將修正后的信息預設為當前期望軌跡初次迭代時的控制信息；步驟6：預設系統的初始狀態等于當前同質軌跡對應的理想初態，并求取此次迭代的跟蹤軌跡；步驟7：計算并判斷此次迭代的最大跟蹤誤差是否收斂到可容許最大跟蹤誤差以下，若最大跟蹤誤差大于可容許最大跟蹤誤差，即此次迭代還未有效跟蹤當前軌跡，則進入下一步，否則，返回步驟4；步驟8：由當前的跟蹤誤差及設定的學習增益結合上次的控制信息來調整系統的本次控制，進而再次求取跟蹤軌跡，返回步驟7。進一步的，本專利技術提供一種工業機器人系統，其特征在于，采用上述四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法和如下結構：包括主旋轉軸部件、平移軸部件和控制操作軸部件，其中主旋轉軸部件、平移軸部件兩部件固定與操作平臺上面；主旋轉軸部件由主軸電機和減速器構成；所述平移軸部件由直線電機構成，其上設置有定子和動子，動子設置于定子上；所述控制操作軸部件由控制電機、機械傳動器、伸縮臂和加工頭構成；三維零件固定于減速器的傳動輸出端，減速器的傳動輸入端與主軸電機的轉子機械連接；加工頭固定于伸縮臂的前端，伸縮臂的后端固定于機械傳動器的傳動輸出端，機械傳動器的傳動輸入端與控制電機的轉子機械連接；由控制電機、機械傳動器、伸縮臂和加工頭組成的控制操作軸部件固定于直線電機的動子上面；另設置有控制器，用于控制驅動控制電機、控制驅動主軸電機和直線電機。本專利技術的四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法，通過將需要加工成型的三維零件轉換為同質曲線簇軌跡，再依次提取其中曲線作為系統跟蹤的期望軌跡，使得迭代學習控制可以單獨適用，從而使得迭代學習控制可以對這類軌跡群進行有效適用，進而完成三維零件的加工；通過對前一條期望軌跡學習所得的控制信息進行有效繼承，使得跟蹤當前期望軌跡時的初次迭代控制信息不再從零開始學習，因而大大加快了系統的學習速度，降低了迭代次數，從而極大地提升了工作效率。并且，應用該設計方法的工業機器人系統，可以加工傳統回旋體設備不能加工的基面軌跡為任意形狀的三維零件，極大地提高了工業零件的多樣性，非常適用于工業中的個性化零件生產。附圖說明圖1為本專利技術四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法流程圖。圖2為基于四軸迭代學習控制方法的一種實施例的工業機器人系統結構示意圖。圖3為傳統ILC可以跟蹤的三維零件結構示意圖。圖4為本專利技術的四軸ILC可以跟蹤的三維零件結構示意圖。圖5為基軌跡的三維跟蹤過程曲線。圖6為基軌跡的最大跟蹤誤差收斂曲線。圖7為同質曲線簇軌跡的跟蹤過程曲線。圖8為同質曲線簇軌跡的最大跟蹤誤差收斂曲線。圖9為本專利技術的四軸ILC與傳統ILC跟蹤同質曲線簇軌跡的對比圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步說明。本專利技術提供的四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法(參見圖1)，具體包括：步驟1：根據工業機器人需要加工處理的三維零件建立其相應的同質曲線簇軌跡。其中，同質曲線簇軌跡是一類具有形狀相似、幅值不同特性的軌跡群，傳統迭代學習控制具有時間軸、幅值軸和迭代軸，然而本專利技術較于傳統迭代學習控制除了包括已有的三軸之外，還將這類軌跡群作為獨特的第四軸——軌跡軸。步驟2：選定工業機器人的運動機構作為分析對象，并建立其動力學模型。步驟3：提取同質曲線簇軌跡中的基軌跡作為系統跟蹤的期望軌跡，并預設初次迭代的控制信息為零，跳轉至步驟6。步驟4：使跟蹤的當前期望軌跡指向同質曲線簇軌跡中的下一條，并判斷跟蹤的上一條軌跡是否為終軌跡，若是終軌跡，則完成了同質曲線簇軌跡的跟蹤過程，即工業機器人實現了對三維零件的加工，結束；否則，進入下一步。步驟5：對上一條期望軌跡學習所得的有效控制信息進行修正，并將修正后的信息預設為當前期望軌跡初次迭代時的控制信息。步驟6：預設系統的初始狀態等于當前同質軌跡對應的理想初態，并求取此次迭代的跟蹤軌跡。步驟7：計算并判斷此次迭代的最大跟蹤誤差是否收斂到可容許最大跟蹤誤差以下，若最大跟蹤誤差大于可容許最大跟蹤誤差，即此次迭代還未有效跟蹤當前軌跡，則進入下一步，否則，返回步驟4。步驟8：由當前的跟蹤誤差及設定的學習增益結合上次的控制信息來調整系統的本次控制，進而再次求取跟蹤軌跡，返回步驟7。在步驟1中，所述的同質曲線簇軌跡由水平放置的三維零件的外輪廓面與等間距的水平面相交所得的全體曲線組成，這些曲線按照垂直于水平面的方向，從底端到頂端依次編制上軌跡號，最底端的曲線為基軌跡，最頂端的曲線為終軌跡。所述的工業機器人是一種加工三維零件的設備。下面以工業機器人的運動機構(其運動特性為線性)為例，來具體闡述本專利技術設計方法：所述的四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法，其特征在于，該方法具體包括：步驟1：根據工業機器人需要加工處理的三維零件建立同質曲線簇軌跡：yl,d(t)＝f(t)(t∈[0,T])(1)其中，f(*)表示一種函數關系；T表示系統的運行周期；l表示同質曲線的軌跡號，取值范圍為[0,N]的整數，共有N+1條軌跡，l＝0時，yl＝0,d(t)表示基軌跡，l＝N時，yl＝N,d(t)表示末軌跡，yl,d(t)表示第l條同質軌跡；相鄰同質軌跡之間的軌跡比例增益為此處，當l＝0時，Ml＝0(t)＝1，l∈[1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法，其特征在于，該方法包括：步驟1：根據工業機器人需要加工處理的三維零件建立其相應的同質曲線簇軌跡；步驟2：選定工業機器人的運動機構作為分析對象，并建立其動力學模型；步驟3：提取同質曲線簇軌跡中的基軌跡作為系統跟蹤的期望軌跡，并預設初次迭代的控制信息為零，跳轉至步驟6；步驟4：使跟蹤的當前期望軌跡指向同質曲線簇軌跡中的下一條，并判斷跟蹤的上一條軌跡是否為終軌跡，若是終軌跡，則完成了同質曲線簇軌跡的跟蹤過程，即工業機器人實現了對三維零件的加工，結束；否則，進入下一步；步驟5：對上一條期望軌跡學習所得的有效控制信息進行修正，并將修正后的信息預設為當前期望軌跡初次迭代時的控制信息；步驟6：預設系統的初始狀態等于當前同質軌跡對應的理想初態，并求取此次迭代的跟蹤軌跡；步驟7：計算并判斷此次迭代的最大跟蹤誤差是否收斂到可容許最大跟蹤誤差以下，若最大跟蹤誤差大于可容許最大跟蹤誤差，即此次迭代還未有效跟蹤當前軌跡，則進入下一步，否則，返回步驟4；步驟8：由當前的跟蹤誤差及設定的學習增益結合上次的控制信息來調整系統的本次控制，進而再次求取跟蹤軌跡，返回步驟7。

【技術特征摘要】
1.四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法，其特征在于，該方法包括：步驟1：根據工業機器人需要加工處理的三維零件建立其相應的同質曲線簇軌跡；步驟2：選定工業機器人的運動機構作為分析對象，并建立其動力學模型；步驟3：提取同質曲線簇軌跡中的基軌跡作為系統跟蹤的期望軌跡，并預設初次迭代的控制信息為零，跳轉至步驟6；步驟4：使跟蹤的當前期望軌跡指向同質曲線簇軌跡中的下一條，并判斷跟蹤的上一條軌跡是否為終軌跡，若是終軌跡，則完成了同質曲線簇軌跡的跟蹤過程，即工業機器人實現了對三維零件的加工，結束；否則，進入下一步；步驟5：對上一條期望軌跡學習所得的有效控制信息進行修正，并將修正后的信息預設為當前期望軌跡初次迭代時的控制信息；步驟6：預設系統的初始狀態等于當前同質軌跡對應的理想初態，并求取此次迭代的跟蹤軌跡；步驟7：計算并判斷此次迭代的最大跟蹤誤差是否收斂到可容許最大跟蹤誤差以下，若最大跟蹤誤差大于可容許最大跟蹤誤差，即此次迭代還未有效跟蹤當前軌跡，則進入下一步，否則，返回步驟4；步驟8：由當前的跟蹤誤差及設定的學習增益結合上次的控制信息來調整系統的本次控制，進而再次求取跟蹤軌跡，返回步驟7。2.根據權利要求1所述的四軸迭代學習控制的工業機器人設計方法，其特征在于，該方法具體包括：步驟1：根據工業機器人需要加工處理的三維零件建立同質曲線簇軌跡：yl,d(t)＝f(t)(t∈[0,T])(1)其中，f(*)表示一種函數關系；T表示系統的運行周期；l表示同質曲線的軌跡號，取值范圍為[0,N]的整數，共有N+1條軌跡，l＝0時，yl＝0,d(t)表示基軌跡，l＝N時，yl＝N,d(t)表示末軌跡，yl,d(t)表示第l條同質軌跡；相鄰同質軌跡之間的軌跡比例增益為此處，當l＝0時，Ml＝0(t)＝1，l∈[1,N]；步驟2：建立工業機器人的運動機構的動力學模型為：式中，x(t)∈Rn，u(t)∈Rr，y(t)∈Rm，分別表示系統的狀態向量、控制向量、輸出向量和狀態擾動向量；A、B、C分別表示已知的相應維數的系統矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣；系統在有限時間間隔[0,T]內重復運行，為區分式(3)在不同軌跡及歷次迭代中的信號，這里引入了雙重下角標l和k，其中，l表示同質曲線的軌跡號，k表示迭代次數，所以系統(1)可改寫為：針對第l條同質軌跡進行的第k次迭代的跟蹤誤差為：el,k(t)＝yl,d(t)-yl,k(t)(5)其中，yl,d(t)表示第l條同質軌跡，yl,k(t)表示對針對第l條同質軌跡進行的第k次迭代的實際輸出；步驟3：提取同質曲線簇軌跡中的基軌跡作為系統跟蹤的期望軌跡，并預設初次迭代的控制信息...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蒲陳陽，劉作軍，龐爽，陳玲玲，張燕，
申請(專利權)人：河北工業大學，
類型：發明
國別省市：天津,12