[发明专利]一种面向电子元器件柔顺装配的机械臂分层多回路控制方法

说明书

本发明提供一种面向电子元器件柔顺装配的机械臂分层多回路控制方法，将设计参考轨迹、阻抗力和上一个循环环境阻抗力输入电子元器件装配场景阻抗特征知识库，得到机械臂关节的设计阻抗轨迹，并与机械臂关节的位置信息求差，经MPC循环输出模型预测控制变量，并与IHOSMC循环输出求和，得到辅助控制变量，并经逆动力学控制循环方程，得到机械臂系统的控制力矩，进而得到关节转角变量、末端执行器的输出轨迹，结合环境信息，得到环境阻抗力；当末端执行器的输出轨迹等于设计阻抗轨迹、环境阻抗力等于设计阻抗力时，机械臂系统稳定，按照此时的输出轨迹和环境阻抗力执行电子元器件的装配。本发明具有装配精度高、响应速度快的特点。

技术领域

本发明涉及机械臂自动化技术与智能控制领域，尤其涉及面向印刷电路板电子元器件柔顺装配的机械臂分层多回路控制方法。

背景技术

机械臂是多输入多输出、非线性、强耦合的时变动力学系统。关节在服役过程中存在结构参数不准确及摩擦、噪声、干扰、负载变化等一系列不确定性，每个关节的不确定性均会在末端执行器处发生累积扩大，进而严重影响机械臂的服役精度。

然而电子元器件的装配场景往往对机械臂的装配动作具有显著的高精度和快响应等需求，因此对机械臂控制方法的设计带来了挑战。目前工业界运用最多的是基于PID的控制方法。由于电子元器件的针脚和印刷电路板插孔均较小且针脚类型复杂多样、容易在装配过程中产生碰撞和接触，这除了要求机械臂的装配动作具有很高的精度、较快的响应外，还要求装配过程具有一定的柔顺性，即当电子元器件的针脚和印刷电路板的插孔没有轴对齐时，装配动作不至于破坏针脚、元器件或电路板。PID控制方法是一种基于误差反馈的控制方法，难以实现最优控制。

因此，在诸如1)电子元器件体积小脆、弱性强，2)电子元器件针脚长细比大、易发生塑性变形，3)印刷电路板集成度高、易损坏，4)出于行业竞争力的考虑，装配过程的时间周期越短越好等这些特殊服役环境下；为了保证电子元器件装配过程的高效、精确和安全，因此需要研发具有更高精度和更快响应的用于机械臂电子元器件在线柔顺装配的最优控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向电子元器件柔顺装配的机械臂分层多回路控制方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种面向电子元器件柔顺装配的机械臂分层多回路控制方法，具体为：

将电子元器件装配任务所需的机械臂末端执行器参考轨迹、设计阻抗力和上一个循环的环境阻抗力输入电子元器件装配场景阻抗特征知识库，得到机械臂末端执行器的设计阻抗轨迹；

机械臂关节的设计阻抗轨迹与机械臂关节的位置信息求差，传递给模型预测控制循环单元，输出模型预测控制变量；

所述模型预测控制变量与积分高阶滑模控制循环输出信号求和，得到辅助控制变量；

所述辅助控制变量经逆动力学控制循环方程，得到机械臂系统的控制力矩，进而得到关节转角变量，由所述关节转角变量得到末端执行器的输出轨迹，进而结合环境信息，得到环境阻抗力；

当末端执行器的输出轨迹等于所述设计阻抗轨迹、环境阻抗力等于所述设计阻抗力时，多关节机械臂系统稳定，机械臂按照此时的输出轨迹和环境阻抗力执行电子元器件的装配。

进一步地，所述电子元器件装配场景阻抗特征知识库包括不同装配方式时机械臂装配电子元器件的过程的实验数据和利用所述实验数据训练后的自适应神经模糊推理系统，所述实验数据包括参考轨迹、设计阻抗力、环境阻抗力和阻抗轨迹。

进一步地，所述模型预测控制循环的对象为积分高阶滑模控制循环后离散的状态空间方程并设计如下代价函数：