CN112338903A - 一种基于模型设计的机械臂控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模型设计的机械臂控制方法，具体按照以下步骤实施：根据机械臂的用途以及功能，用SOLIDWORK软件对机械臂进行三维模型设计得到CAD文件；对得到的机械臂CAD文件配置导出URDF文件，导入ROS系统中的GAZEBO软件得到机器人模型，导入MATLAB软件中的SIMULIKN模块得到机器人模型；使用RVIZ软件对得到GAZEBO软件中的机器人模型进行运动规划验证其正确性，使用MATLAB软件中的SIMULINK设计机械臂运动规划验证模型验证得到的SIMULINK机器人模型进行运动规划验证其正确性，最后使用MATLAB软件中设计的MATLAB与ROS联合仿真的模型验证半实物仿真模型的正确性；实现物理样机测试运动学轨迹规划，验证物理样机的可靠性，完成机械臂控制。解决了现有技术中存在的易出错导致开发反复调试的问题。
Description
技术领域
本发明属于机器人开发技术领域，涉及一种基于模型设计的机械臂控制方法。
背景技术
机械臂是机器人的一个分支，随着时代发展，在工业场景中应用广泛的机械臂逐渐应用在各种生活场景中，作为多用途的服务型机器人，为人类的生活提供更多的便利。机械臂的市场前景广阔，其具有应用多样化和应用快速化的特点，蓬勃发展的同时也带来了许多挑战，对于传统的设计开发以及应用过程提出了更高的要求。
传统的开发设计一般首先在MATLAB的SIMULINK软件中进行数学模型仿真研究，对控制算法进行正确性验证，当仿真结果与设计要求吻合时，再将算法改成C语言代码，结合硬件设备的底层驱动程序，在硬件设备上实现，完成编程、编译、调试等步骤。
传统的设计开发流程中存在着诸多问题，开发过程过于冗杂造成开发周期过长而且易出错导致开发反复调试，具体问题主要体现在以下方面，一方面传统编程所使用的复杂的计算机语言对开发者的能力有着更高的要求，在编程过程中，不断出现错误需要修正，一方面传统开发过程中带来的错误会导致硬件设备的损坏，更甚会对开发者人身安全造成威胁。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模型设计的机械臂控制方法，解决了现有技术中存在的易出错导致开发反复调试的问题。
本发明所采用的技术方案是，本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、模型设计阶段，根据机械臂的用途以及功能，用SOLIDWORK软件对机械臂进行三维模型设计得到CAD文件；
步骤2、模型导出阶段，对步骤1得到的机械臂CAD文件配置导出URDF文件，导入ROS系统中的GAZEBO软件得到机器人模型，导入MATLAB软件中的SIMULIKN模块得到机器人模型；
步骤3、模型验证阶段，使用RVIZ软件对步骤2中得到GAZEBO软件中的机器人模型进行运动规划验证其正确性，使用MATLAB软件中的SIMULINK设计机械臂运动规划验证模型验证步骤2中得到的SIMULINK机器人模型进行运动规划验证其正确性，最后使用MATLAB软件中设计的MATLAB与ROS联合仿真的模型验证半实物仿真模型的正确性；
步骤4、实现物理样机测试运动学轨迹规划，验证物理样机的可靠性，完成机械臂控制。
本发明的特点还在于：
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、根据机械臂的用途及功能需求，通过SOLIDWORK软件设计出机械臂的三维模型CAD文件，驱动器选择总线舵机，处理器选择DSP控制器，该处理器在SIMULINK库中有仿真模型并且性能强大，传感器根据机械臂功能按需选择；
步骤1.2、根据步骤1.1中所设计的机械臂，使用3D打印机打印出机械臂的外部配件，使用步骤1.1中的驱动器和处理器以及传感器进行组装，组装出所需要的物理样机。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、根据步骤1.1所设计的机械臂的CAD模型导出URDF文件，修改URDF文件，利用导出的URDF文件，建立LAUNCH启动文件，导入ROS系统的GAZEBO软件，搭建机械臂的GAZEBO仿真模型；
步骤2.2、根据步骤2.1导出的URDF文件导入MATLAB软件搭建机械臂的SIMULINK机械臂仿真模型。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、把步骤2.1中的URDF文件导入ROS系统的RVIZ软件，搭建机械臂的RVIZ仿真模型，启动步骤2.1中的LAUNCH启动文件验证ROS系统中仿真模型的正确性，使用运动框架MOVEIT对RVIZ软件中的机器人模型进行运动学轨迹规划模型验证；
步骤3.2、根据步骤2.2中所搭建的机械臂SIMULINK模型，设计SIMULINK控制器搭建机械臂运动学轨迹规划验证模型以及所述控制系统的中的控制器中的前馈控制和PID控制策略，并调节所述控制系统的各个参数，验证SIMULINK模型的正确性，预留控制器模块接口验证控制算法，方便后期的算法改进与验证；
步骤3.3、接下来进行MATLAB与ROS联合仿真，通过对比步骤3.1与3.2中的机械臂模型验证模型正确性，为进一步确定所设计控制系统的可靠性，使用MATLAB中的控制器控制ROS环境中的机器人模型，用ROS环境中的机器人模型代替物理样机模型进行测试，验证MATLAB与ROS联合仿真实现半实物仿真的可行性，调试无误后最后进行软硬件联合仿真。
步骤4具体按照以下实施：在MATLAB与ROS联合仿真模型验证无误的情况下，利用步骤3.3中的MATLAB与ROS联合仿真模型，利用其中的MATLAB控制器控制搭载ROS控制系统的物理样机，实现软硬件仿真；然后将仿真模型中控制器部分自动生成C代码，对机械臂控制系统进行软硬件调试，将C代码与机械臂物理样机底层驱动代码编译调试，优化系统调试，完成对机械臂的控制。
本发明的有益效果是：本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，解决了现有技术中存在的易出错导致开发反复调试的问题。在基于模型设计开发的基础上，引入MATLAB与ROS联合仿真，用ROS机器人模型代替物理样机，采用MATLAB中的核心算法和ROS中机器人模型联合仿真的思想，实现了不依赖物理样机的半实物仿真，为机器人开发提供了便利，节省了大量的成本。采用MATLAB模型控制搭载ROS系统的实体机器人的开发方法，实现算法的快速开发。采用基于模型设计开发的方法，建立了机械臂控制系统的软硬件联合仿真模型，验证机器人的运动学轨迹规划，克服了机械臂传统开发流程中软硬件分离的开发模式，开发成本和所需时间大大减小。使用SIMULINK仿真可以直接看到机械臂的运动效果，将控制器设计与可视化仿真相结合，采用图形化的编程，简化了编程过程，有利于我们快速的实现控制器的设计，降低了实验成本和增加了实验安全性。可以应用到各种控制系统机器人的研究与应用中，应用前景很好。
附图说明
图1是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法的流程图；
图2是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法的SOLIDWORK软件中CAD三维模型图像；
图3是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中使用SOLIDWORK软件中导出URDF文件的SW2URDFSETUP插件对本发明中的机械臂CAD三维模型进行配置的图像；
图4是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中GAZEBO软件可视化仿真模型图像；
图5是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中SIMULIKN仿真模型图像；
图6是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中SIMULINK仿真模型的可视化仿真模型图像；
图7是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中使用MOVEIT运动框架对本发明中的机械臂模型进行运动学轨迹规划验证的图像；
图8是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中搭建的SIMULINK机械臂运动学轨迹规划验证模型的图像；
图9是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中SIMULIKN机械臂运动学轨迹规划验证模型对关节角度轨迹跟踪验证的跟踪曲线对比图像；
图10本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中MATLAB软件的SIMULINK模型库中ROS工具箱的模块图示；
图11是本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中搭建的MATLAB与ROS联合仿真测试控制系统可靠性的模型的图像；
图12是验证本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中搭建的MATLAB与ROS联合仿真的模型对末端位置轨迹跟踪验证的跟踪曲线对比图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、模型设计阶段，根据机械臂的用途以及功能，用SOLIDWORK软件对机械臂进行三维模型设计得到CAD文件；
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、根据机械臂的用途及功能需求，通过SOLIDWORK软件设计出机械臂的三维模型CAD文件，如图2所示，并且确定该机器人的硬件选择，主要是驱动器和处理器以及传感器的选择。一般情况下，驱动器选择总线舵机，处理器选择DSP控制器，该处理器在SIMULINK库中有仿真模型并且性能强大，传感器根据机械臂功能按需选择；
步骤1.2、根据步骤1.1中所设计的机械臂，使用3D打印机打印出机械臂的外部配件，使用步骤1.1中的驱动器和处理器以及传感器进行组装，组装出所需要的物理样机。
步骤2、模型导出阶段，对步骤1得到的机械臂CAD文件配置导出URDF文件，导入ROS系统中的GAZEBO软件得到机器人模型，导入MATLAB软件中的SIMULIKN模块得到机器人模型；
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、使用SW2URDFSETUP插件，根据步骤1.1所设计的机械臂的CAD模型导出URDF文件，如图3所示。根据需要，修改URDF文件，利用导出的URDF文件，建立LAUNCH启动文件，导入ROS系统的GAZEBO软件，搭建机械臂的GAZEBO仿真模型；该仿真模型如图4所示；
步骤2.2、根据步骤2.1导出的URDF文件导入MATLAB软件搭建机械臂的SIMULINK机械臂仿真模型。该仿真模型如图5所示，然后通过仿真显示出SIMULINK仿真模型的可视化图像，如图6所示；
步骤3、模型验证阶段，使用RVIZ软件对步骤2中得到GAZEBO软件中的机器人模型进行运动规划验证其正确性，使用MATLAB软件中的SIMULINK设计机械臂运动规划验证模型验证步骤2中得到的SIMULINK机器人模型进行运动规划验证其正确性，最后使用MATLAB软件中设计的MATLAB与ROS联合仿真的模型验证半实物仿真模型的正确性；
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、把步骤2.1中的URDF文件导入ROS系统的RVIZ软件，搭建机械臂的RVIZ仿真模型，启动步骤2.1中的LAUNCH启动文件验证ROS系统中仿真模型的正确性，使用运动框架MOVEIT对RVIZ软件中的机器人模型进行运动学轨迹规划模型验证；验证过程如图7所示；
步骤3.2、根据步骤2.2中所搭建的机械臂SIMULINK模型，设计SIMULINK控制器搭建机械臂运动学轨迹规划验证模型以及所述控制系统的中的控制器中的前馈控制和PID控制策略，并调节所述控制系统的各个参数，验证SIMULINK模型的正确性，预留控制器模块接口验证控制算法，方便后期的算法改进与验证；所搭建模型如图8所示，为了验证SIMULINK运动学模型的正确性，进行验证仿真，可以得到运动学轨迹规划验证模型对关节角度轨迹跟踪验证的跟踪曲线，如图9所示，通过输入信号与输出信号的对比，该运动学轨迹规划跟踪误差较小，验证了模型的正确性，预留控制器模块接口验证控制算法，方便后期的算法改进与验证。
步骤3.3、接下来进行MATLAB与ROS联合仿真，接下来的步骤将使用到MATLAB软件中的ROS工具箱，如图10所示。通过对比步骤3.1与3.2中的机械臂模型验证模型正确性，为进一步确定所设计控制系统的可靠性，使用MATLAB中的控制器控制ROS环境中的机器人模型，用ROS环境中的机器人模型代替物理样机模型进行测试，验证MATLAB与ROS联合仿真实现半实物仿真的可行性，调试无误后最后进行软硬件联合仿真。使用了图10中所示的通讯模块搭建测试控制系统可靠性的模型，该模型如图11所示，对该模型进行仿真测试，可以得到该模型对末端位置轨迹跟踪验证的跟踪曲线对比图，如图12所示，仿真初始阶段由于通讯实时性差有少许误差波动，可忽略不计，曲线跟踪误差较小，进一步验证了采用MATLAB与ROS联合仿真的可行性与本发明机械臂模型的可靠性，接下来进行调试，调试无误后最后进行软硬件联合仿真。
步骤4、实现物理样机测试运动学轨迹规划，验证物理样机的可靠性，完成机械臂控制。
步骤4具体按照以下实施：在MATLAB与ROS联合仿真模型验证无误的情况下，利用步骤3.3中的MATLAB与ROS联合仿真模型，利用其中的MATLAB控制器控制搭载ROS控制系统的物理样机，实现软硬件仿真；然后将仿真模型中控制器部分自动生成C代码，对机械臂控制系统进行软硬件调试，将C代码与机械臂物理样机底层驱动代码编译调试，优化系统调试，完成对机械臂的控制。
本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法中的机械臂控制系统，包括：
可灵活模块化设计搭建的机械臂三维CAD模型，包括外部构造以及处理器驱动器和传感器，以及根据三维模型导出的URDF文件和ROS仿真环境下的机器人模型，以及根据硬件设备组配的物理样机；
根据机械臂三维模型搭建构成的机械臂运动学轨迹规划验证的模型，模型内容包括输入信号处理模块，控制器模块，物理模型仿真模块，输出信号处理模块以及仿真观测器模块；
MATLAB与ROS系统联合仿真的半实物仿真模型，模型内容包括输入信号处理模块，控制器模块，ROS通讯输入模块，ROS通讯输出模块，输出信号处理模块，仿真观测器模块。
本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，解决了现有技术中存在的易出错导致开发反复调试的问题。在基于模型设计开发的基础上，引入MATLAB与ROS联合仿真，用ROS机器人模型代替物理样机，采用MATLAB中的核心算法和ROS中机器人模型联合仿真的思想，实现了不依赖物理样机的半实物仿真，为机器人开发提供了便利，节省了大量的成本。采用MATLAB模型控制搭载ROS系统的实体机器人的开发方法，实现算法的快速开发。采用基于模型设计开发的方法，建立了机械臂控制系统的软硬件联合仿真模型，验证机器人的运动学轨迹规划，克服了机械臂传统开发流程中软硬件分离的开发模式，开发成本和所需时间大大减小。使用SIMULINK仿真可以直接看到机械臂的运动效果，将控制器设计与可视化仿真相结合，采用图形化的编程，简化了编程过程，有利于我们快速的实现控制器的设计，降低了实验成本和增加了实验安全性。可以应用到各种控制系统机器人的研究与应用中，应用前景很好。
Claims (5)
1.本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、模型设计阶段，根据机械臂的用途以及功能，用SOLIDWORK软件对机械臂进行三维模型设计得到CAD文件；
步骤2、模型导出阶段，对步骤1得到的机械臂CAD文件配置导出URDF文件，导入ROS系统中的GAZEBO软件得到机器人模型，导入MATLAB软件中的SIMULIKN模块得到机器人模型；
步骤3、模型验证阶段，使用RVIZ软件对步骤2中得到GAZEBO软件中的机器人模型进行运动规划验证其正确性，使用MATLAB软件中的SIMULINK设计机械臂运动规划验证模型验证步骤2中得到的SIMULINK机器人模型进行运动规划验证其正确性，最后使用MATLAB软件中设计的MATLAB与ROS联合仿真的模型验证半实物仿真模型的正确性；
步骤4、实现物理样机测试运动学轨迹规划，验证物理样机的可靠性，完成机械臂控制。
2.根据权利要求1所述的本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、根据机械臂的用途及功能需求，通过SOLIDWORK软件设计出机械臂的三维模型CAD文件，驱动器选择总线舵机，处理器选择DSP控制器，该处理器在SIMULINK库中有仿真模型并且性能强大，传感器根据机械臂功能按需选择；
步骤1.2、根据步骤1.1中所设计的机械臂，使用3D打印机打印出机械臂的外部配件，使用步骤1.1中的驱动器和处理器以及传感器进行组装，组装出所需要的物理样机。
3.根据权利要求2所述的本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、根据步骤1.1所设计的机械臂的CAD模型导出URDF文件，修改URDF文件，利用导出的URDF文件，建立LAUNCH启动文件，导入ROS系统的GAZEBO软件，搭建机械臂的GAZEBO仿真模型；
步骤2.2、根据步骤2.1导出的URDF文件导入MATLAB软件搭建机械臂的SIMULINK机械臂仿真模型。
4.根据权利要求3所述的本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、把步骤2.1中的URDF文件导入ROS系统的RVIZ软件，搭建机械臂的RVIZ仿真模型，启动步骤2.1中的LAUNCH启动文件验证ROS系统中仿真模型的正确性，使用运动框架MOVEIT对RVIZ软件中的机器人模型进行运动学轨迹规划模型验证；
步骤3.2、根据步骤2.2中所搭建的机械臂SIMULINK模型，设计SIMULINK控制器搭建机械臂运动学轨迹规划验证模型以及所述控制系统的中的控制器中的前馈控制和PID控制策略，并调节所述控制系统的各个参数，验证SIMULINK模型的正确性，预留控制器模块接口验证控制算法，方便后期的算法改进与验证；
步骤3.3、接下来进行MATLAB与ROS联合仿真，通过对比步骤3.1与3.2中的机械臂模型验证模型正确性，为进一步确定所设计控制系统的可靠性，使用MATLAB中的控制器控制ROS环境中的机器人模型，用ROS环境中的机器人模型代替物理样机模型进行测试，验证MATLAB与ROS联合仿真实现半实物仿真的可行性，调试无误后最后进行软硬件联合仿真。
5.根据权利要求4所述的本发明一种基于模型设计的机械臂控制方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下实施：在MATLAB与ROS联合仿真模型验证无误的情况下，利用步骤3.3中的MATLAB与ROS联合仿真模型，利用其中的MATLAB控制器控制搭载ROS控制系统的物理样机，实现软硬件仿真；然后将仿真模型中控制器部分自动生成C代码，对机械臂控制系统进行软硬件调试，将C代码与机械臂物理样机底层驱动代码编译调试，优化系统调试，完成对机械臂的控制。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210209 |