位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011117421.4 (22)申请日 2020.10.19 (71)申请人 哈尔滨理工大学 地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学 府路52号 (72)发明人 尤波刘思远张天勇 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种位置约束的多移动机械臂协同运输控 制系统 (57)摘要 本发明公开了一种位置约束的多移动机械 臂协同运输控制系统， 包括： 上位机监控组态软 件(MRCC)、 运输平台和多移动机械臂， 上位机监 控组态软件包。

2、括调试模式和自动模式； 多移动机 械臂可以通过接收上位机监控组态软件发送的 控制参数实现对各移动机械臂当前运动状态的 改变， 也可以通过放置在运输平台中心处的激光 雷达获取多移动机械臂的实时位姿信息作出决 策， 控制多移动机械臂的运动情况， 根据多移动 机械臂的协同控制算法使多移动机械臂协同抓 取物体并执行运输任务。 本发明提供的一种位置 约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 将放置 在机械臂和运输平台之间使用力传感器进行力 约束的传统控制问题转化为使用放置在运输平 台四个角上的柔性抓取点充当位置传感器的位 置约束问题， 既拓宽了机械臂的工作范围又提高 了工作的效率， 同时满足了多移动机械臂之。

3、间的 通讯拓扑结构， 组成网络化的多移动机械臂系 统， 为多移动机械臂协同运输控制的研究提供了 良好的实验平台。 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 CN 112123339 A 2020.12.25 CN 112123339 A 1.一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 其特征在于， 包括： (1)上位机监控组态软件包括自动模式和调试模式； (2)调试模式， 包括移动机械臂的的参数配置和参数显示界面， 用于向多移动机械臂发 送指令， 改变多移动机械臂的位姿， 并实时接收和显示多移动机械臂的位姿信息； (3)自动模式， 用于显示运输平台质心与各移动机械臂质心之间的相对距离和相对角 度。

4、的姿态信息， 并显示运输平台上各位置传感器的相对位置偏差， 同时将所有显示信息存 储起来以备将来使用。 2.根据权利要求1所述的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 其特征在 于， 所述多移动机械臂中的移动机械臂数量不限， 每个移动平台上装有一个6自由度机械 臂， 每个移动机械臂包括控制单元、 供电单元、 执行器单元、 通信单元。 3.根据权利要求1所述的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 其特征在 于， 所述运输平台包括供电单元、 无线网卡、 树莓派和激光雷达。 激光雷达作为定位传感器， 在整个系统运行过程中通过扫描周围的环境信息， 从而得到各移动机械臂的实时位姿信 息。 。

5、4.根据权利要求2所述的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 其特征在 于， 供电单元包括12V锂电池和电压转换电路； 所述12V锂电池用于给执行器单元和电压转 换电路供电； 所述电压转换电路用于将电压转化成可供控制单元、 通信单元和执行器单元 使用的电压。 5.根据权利要求2所述的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 其特征在 于， 所述执行器单元包括驱动模块、 步进电机和机械臂； 所述驱动模块为A4988步进电机驱 动模块， 用于接收控制单元指令从而控制步进电机的转向和转速； 所述步进电机用于驱动 多移动机械臂的运行； 所述机械臂用于接收控制单元指令从而改变机械臂各关节角度。

6、。 6.根据权利要求2所述的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 其特征在 于， 所述的控制单元为嵌入式单片机和树莓派。 7.根据权利要求2所述的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 其特征在 于， 所述通信单元包括上位机监控组态软件通信单元和多移动机械臂通信单元； 所述上位 机监控组态软件通信单元用于实现上位机监控组态软件和多移动机械臂之间的通信； 所述 多移动机械臂通信单元用于实现多移动机械臂之间的通信。 通信单元采用ATK-RM04无线模 块和路由器一起构建了通信网络。 权利要求书 1/1 页 2 CN 112123339 A 2 一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系。

7、统 技术领域 0001 本发明涉及多移动机械臂控制技术领域， 具体涉及一种位置约束的多移动机械臂 协同运输控制系统。 背景技术 0002 目前， 在工作任务日益复杂， 工作精度要求日益提高的情况下， 单个固定基座机械 臂已经不能满足部分工作任务的要求， 移动机械臂扩展了固定基座机械臂的操作空间， 提 升了机械臂系统的工作能力和整体灵活性。 多移动机械臂同步操作系统结合了移动机械臂 的灵活性和多固定基座机械臂系统的高效性， 并且多移动机械臂协同作业可以应用在很多 场合， 如人员的急救工作， 高危工作的执行， 工业自动化过程， 重物搬运等。 0003 然而， 在现有的多移动机械臂协同运输系统中， 。

8、通常使用放置在移动机械臂抓取 点上的力矩传感器来获得对物体施加的力， 从而实现协同运输任务， 但使用力矩传感器还 会存在价格昂贵、 维护困难、 测量精度有限等缺点， 这会使得机器人系统的结构变得复杂。 发明内容 0004 为解决上述技术问题， 本发明采用的一个技术方案是： 提供一种位置约束的多移 动机械臂协同运输控制系统。 0005 本发明提供的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统， 包括： 0006 (1)上位机监控组态软件包括调试模式和自动模式； 0007 (2)调试模式， 包括移动机械臂的的参数配置和参数显示界面， 用于向多移动机械 臂发送指令， 改变多移动机械臂的位姿， 并实时接。

9、收和显示多移动机械臂的位姿信息； 0008 (3)自动模式， 用于显示运输平台质心与各移动机械臂质心之间的相对距离和相 对角度的姿态信息， 并显示运输平台上各位置传感器的相对位置偏差， 同时将所有显示信 息存储起来以备将来使用； 0009 进一步地， 所述多移动机械臂中的移动机械臂数量不限， 每个移动平台上装有一 个6自由度机械臂， 每个移动机械臂包括控制单元、 供电单元、 执行器单元、 通信单元。 0010 所述控制单元， 用于通过无线网络接收并处理来自上位机监控组态软件发送的指 令和激光雷达检测到的各移动机械臂位姿信息， 从而控制多移动机械臂的位姿， 并把处理 得到的状态信息发送到无线网络。

10、； 0011 所述供电单元， 用于将电压转化成可供多移动机械臂各个单元使用的电压； 0012 所述执行器单元， 用于接收来自控制单元的指令， 从而改变多移动机械臂的运动 状态； 0013 所述通信单元， 用于构建多移动机械臂之间以及上位机监控组态软件和多移动机 械臂之间的无线网络， 并通过无线网络实现相互之间数据信息的传输； 0014 所述多移动机械臂通过接收上位机监控组态软件传输的指令以及通过放置在运 输平台中心处的激光雷达扫描周围环境信息获取各移动机械臂的位姿信息， 通过多移动机 说明书 1/3 页 3 CN 112123339 A 3 械臂之间的协同控制算法控制多移动机械臂对物体进行抓取。

11、以及协同运行。 0015 更进一步地， 供电单元包括12V锂电池和电压转换电路； 所述12V锂电池用于给执 行器单元和电压转换电路供电； 所述电压转换电路用于将电压转化成可供控制单元、 通信 单元和执行器单元使用的电压。 0016 更进一步地， 所述执行器单元包括驱动模块、 步进电机和机械臂； 所述驱动模块为 A4988步进电机驱动模块， 用于接收控制单元指令从而控制步进电机的转向和转速； 所述步 进电机用于驱动多移动机械臂的运行； 所述机械臂用于接收控制单元指令从而改变机械臂 各关节角度。 0017 更进一步地， 所述通信单元包括上位机监控组态软件通信单元和多移动机械臂通 信单元； 所述上位。

12、机监控组态软件通信单元用于实现上位机监控组态软件和多移动机械臂 之间的通信； 所述多移动机械臂通信单元用于实现多移动机械臂之间的通信。 通信单元采 用ATK-RM04无线模块和路由器一起构建了通信网络。 0018 更进一步地， 所述的控制单元为嵌入式单片机和树莓派。 0019 本发明的有益效果是： 0020 本发明提供的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统具有结构简单， 灵 活性高， 可扩展性好等优点， 将放置在机械臂和运输平台之间使用力传感器进行力约束的 传统控制问题转化为使用放置在运输平台四个角上的柔性抓取点充当位置传感器的位置 约束问题， 避免了系统因使用力传感器而可能产生的问题，。

13、 既拓宽了机械臂的工作范围又 提高了工作的效率； 该系统基于ATK-RM04无线模块构建了通信网络， 满足了多移动机械臂 之间的通讯拓扑结构， 组成网络化的多移动机械臂系统。 同时， 对多移动机械臂协同运输控 制的协同、 容错等研究提供了良好的实验平台。 附图说明 0021 图1是本发明一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统示意图； 0022 图2是本发明一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统利用协同控制算法 控制的流程图； 具体实施方式 0023 下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述， 以使本发明的优点和特征能 更易于被本领域技术人员理解， 从而对本发明的保护范围做出更为清楚。

14、明确的界定。 0024 参照图1， 本发明提供的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统示意图， 包括上位机监控组态软件、 运输平台和多移动机械臂； 0025 本实施方式中， 上位机监控组态软件包括调试模式和自动模式； 0026 本实施方式中， 调试模式， 包括移动机械臂的的参数配置和参数显示界面， 用于向 多移动机械臂发送指令， 改变多移动机械臂的位姿， 并实时接收和显示多移动机械臂的位 姿信息； 0027 本实施方式中， 自动模式， 用于显示运输平台质心与各移动机械臂质心之间的相 对距离和相对角度的姿态信息， 并显示运输平台上各位置传感器的相对位置偏差， 同时将 所有显示信息存储起来以备。

15、将来使用； 说明书 2/3 页 4 CN 112123339 A 4 0028 本实施方式中， 多移动机械臂中的移动机械臂数量不限， 每个移动平台上装有一 个6自由度机械臂， 每个移动机械臂包括控制单元、 供电单元、 执行器单元、 通信单元。 0029 本实施方式中， 控制单元， 用于通过无线网络接收并处理来自上位机监控组态软 件发送的和激光雷达检测到的各移动机械臂位姿信息， 从而控制多移动机械臂的位姿， 并 把处理得到的状态信息发送到无线网络； 0030 本实施方式中， 供电单元， 用于将电压转化成可供多移动机械臂各个单元使用的 电压； 0031 本实施方式中， 执行器单元用于接收来自控制单。

16、元的指令， 从而改变多移动机械 臂的运动状态， 如启停、 转向和调速； 0032 本实施方式中， 通信单元用于构建多移动机械臂之间以及上位机监控组态软件和 多移动机械臂之间的无线网络， 并通过无线网络实现相互之间的数据信息的传输； 0033 本实施方式中， 多移动机械臂通过接收上位机监控组态软件传输的指令以及通过 放置在运输平台中心处的激光雷达扫描周围环境信息获取各移动机械臂的位姿信息， 通过 多移动机械臂之间的协同控制算法控制多移动机械臂对物体进行抓取以及协同运行。 0034 参照图2， 本发明提供的一种位置约束的多移动机械臂协同运输控制系统利用协 同控制算法控制的流程图， 包括如下步骤： 。

17、0035 首先对多移动机械臂协同运输系统进行初始化， 包括测量机构初始化和移动机械 臂的初始化。 测量机构包括激光雷达和位置传感器， 这些数据在运输平台中被检测出来， 并 通过无线网络从运输平台的树莓派发送到每个移动机械臂的控制单元上。 移动机械臂的初 始化包括为移动平台和机械臂准备驱动信号初始化。 然后执行过程进入判断模式， 即判断 上位机监控组态软件中选择的工作模式。 当选择调试模式时， 每个移动机械臂的控制单元 接收上位机监控组态软件中给出的配置参数， 将这些数据转换成适当的数据格式， 并将数 据传输到单片机。 最后将这些配置参数分别应用于移动平台的步进电机和机械臂的舵机。 当上位机监控。

18、组态软件采用自动模式时， 协同控制算法将自动执行。 控制算法离线设计并 存储在各移动机械臂控制单元中的树莓派闪存中。 在固定采样周期的协同控制算法中， 周 期性地获得反馈状态信息， 包括激光雷达和位置传感器的数据， 与离散时间控制算法的反 馈状态信息一致。 最后， 将由协同控制算法得到的控制输入应用于每个移动机械臂的执行 器。 0036 以上所述仅为本发明的实施例， 并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换， 或直接或间接运用在其他相关的技 术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。 说明书 3/3 页 5 CN 112123339 A 5 图1 说明书附图 1/2 页 6 CN 112123339 A 6 图2 说明书附图 2/2 页 7 CN 112123339 A 7 。