CN102636993A

CN102636993A - 抑制机器人柔性臂末端颤动的方法

Info

Publication number: CN102636993A
Application number: CN2012101154154A
Authority: CN
Inventors: 马西良; 毛瑞卿
Original assignee: Xuzhou University of Technology
Current assignee: Xuzhou University of Technology
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开了一种抑制机器人柔性臂末端颤动的方法，包括机器人柔性臂和控制系统，为控制系统提供控制指令信号的处理系统，包括如下处理步骤：由柔性臂的驱动力矩得出柔性臂末端的点振动位移传递函数；由柔性臂的固有频率和阻尼得出残留振动最小的最优输入整形传递函数；对最优输入整形传递函数进行归一化处理；由柔性臂的运动速度选择最优输入整形器的时滞时间，得出最优输入整形器；将输入指令信号与最优输入整形器进行卷积，得出新输入指令信号并离散化，传送离散后的输入指令信号；以伺服周期为时间间隔，刷新控制系统的指令信号，直至结束。本发明能够有效的抑制机器人柔性臂末端的颤动，提高跟随精度，实现机器人柔性臂快速准确定位。

Description

抑制机器人柔性臂末端颤动的方法

技术领域

本发明涉及一种环境探测机器人柔性臂的控制领域，具体涉及一种抑制机器人柔性臂末端颤动的方法。

背景技术

为便于探测和搜寻，环境探测机器人的探测模块通常装在机器人手臂的末端。为满足机器人手臂快速准确的定位运动，常常采用柔性机械臂，但是，柔性机械臂在运动过程中会产生弹性变形，这将引起柔性臂末端的颤动(也称残留振动)，颤动时间与柔性臂的运动速度呈正比，少则几秒多则数十秒，甚至更多，从而导致柔性机械臂的运动不平稳，跟随精度变差，很难快速且精确定位，严重影响了环境的探测质量和机器人的行进速度。因此，必须采用有效的措施对柔性臂末端的颤动进行抑制。

目前的研究主要采用柔性臂的线性化控制或反馈控制方法控制柔性臂末端的颤动。但是这些控制方法存在不足，柔性臂的线性化控制虽能够使系统到达指定位置，但到达时间这一指标欠佳，不能满足快速定位的要求；利用反馈控制方法需要改变系统的控制结构，增加硬件设备使系统变的复杂，增加了控制成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制机器人柔性臂末端颤动的方法，能够有效的抑制机器人柔性臂末端的颤动，提高机器人柔性臂的跟随精度，实现机器人柔性臂的快速准确定位。

实现本发明目的的技术方案是提供一种抑制机器人柔性臂末端颤动的方法，包括机器人柔性臂控制系统，为控制系统提供控制指令信号的处理系统，所述处理系统包括如下处理步骤：

步骤A：由柔性臂的驱动力矩得出柔性臂末端的点振动位移传递函数；

步骤B：根据柔性臂的固有频率和阻尼得出残留振动最小的最优输入整形传递函数；

步骤C：对步骤B的最优输入整形传递函数进行归一化处理；

步骤D：根据柔性臂的运动速度选择最优输入整形器的时滞时间，得出最优输入整形器；

步骤E：将柔性臂控制系统的输入指令信号与步骤D中最优输入整形器相卷积，得出新的输入指令信号并进行离散化处理，将离散后的输入指令信号传送到柔性臂控制系统；

步骤F：以柔性臂控制系统的伺服周期为时间间隔刷新送往柔性臂控制系统的输入指令信号，重复步骤E直至运动结束。

在步骤E中，离散化处理包括设定采样时间，以设定的采样时间间隔采样新输入指令信号，得到等时间间隔的离散型输入指令信号。

在步骤B中，所述最优输入整形传递函数为：

F (s) = 1 - 2 \cos (2 ω_{d} T_{1}) e^{- ξ ω_{n} T_{1}} e^{- T_{1} s} + e^{- 2 ξ ω_{n} T_{1}} e^{- 2 T_{1} s}

其中：ω_n和ξ分别是柔性臂的固有频率和阻尼，为柔性臂的有阻尼固有频率，T₁为柔性臂控制系统的时滞时间。

本发明具有积极的效果：本发明能够有效的抑制机器人柔性臂末端的颤动，提高机器人柔性臂的跟随精度，实现机器人柔性臂的快速准确定位，并且，本发明中最优输入整形器的时滞时间可以任意选择，能有效改善探测模块的探测质量和机器人的行进速度，从而提高环境探测机器人的工作效率，且有效降低机器人的能耗，另本发明不需要增加其他硬件，节省了硬件的开支，提高控制系统的性能，具有显著的实用价值，可广泛的应用于具有柔性机械臂的机器人，适用性广。

附图说明

图1是本发明抑制机器人柔性臂末端颤动的原理示意图。

图2为本发明的方法具体流程示意图。

具体实施方式

(实施例1)

见图1和图2，一种抑制机器人柔性臂末端颤动的方法，包括机器人柔性臂控制系统，为控制系统提供控制指令信号的处理系统，处理系统包括如下处理步骤：

步骤C：对步骤B的最优输入整形传递函数进行归一化处理；

在步骤A中的传递函数为：

G (s) = s^{2} {| Z_{k} - \frac{s^{2}}{s^{2} + 2 ξ ω_{1} s + {ω_{1}}^{2}} Q_{k} Q_{k}^{T} |}^{- 1}

其中，Z_k为系统的惯量矩，Q_k为系统的耦合矩。

在步骤B中，所述最优输入整形传递函数为：

F (s) = 1 - 2 \cos (2 ω_{d} T_{1}) e^{- ξ ω_{n} T_{1}} e^{- T_{1} s} + e^{- 2 ξ ω_{n} T_{1}} e^{- 2 T_{1} s}

其中：ω_n和ξ分别是柔性臂的固有频率和阻尼，

为柔性臂的有阻尼固有频率，T₁为柔性臂控制系统的时滞时间。

步骤C中，进行归一化处理可得

F (s) = A_{1} + A_{2} e^{- T_{1} s} + A_{3} e^{- 2 T_{1} s}

这里的归一化处理是指将输入整形器的幅值A₁、A₂、A₃的和为1即：A₁+A₂+A₃＝1，这样就不会改变原有信号指令信号的幅值。

式中，最优输入整形器的脉冲幅值和时滞分别为：

\{\begin{matrix} A_{1} = \frac{1}{1 - 2 \cos (2 ω_{d} T_{1}) e^{- ξ ω_{n} T_{1}} + e^{- 2 ξ ω_{n} T_{1}}} \\ A_{2} = - \frac{2 \cos (2 ω_{d} T_{1}) e^{- ξ ω_{n} T_{1}}}{1 - 2 \cos (2 ω_{d} T_{1}) e^{- ξ ω_{n} T_{1}} + e^{- 2 ξ ω_{n} T_{1}}} \\ A_{3} = \frac{e^{- 2 ξ ω_{n} T_{1}}}{1 - 2 \cos (2 ω_{d} T_{1}) e^{- ξ ω_{n} T_{1}} + e^{- 2 ξ ω_{n} T_{1}}} \end{matrix} - - - (1)

\{\begin{matrix} t_{1} = 0 \\ t_{2} = T_{1} \\ t_{3} = 2 T_{1} \end{matrix} - - - (2)

步骤D中，因最优输入整形器的时滞时间T₁可任意选择，故根据系统的响应时间的需要选择好时滞时间T₁，根据(1)和(2)得到最优输入整形器：

[\begin{matrix} A_{i} \\ t_{i} \end{matrix}] = [\begin{matrix} A_{1} & A_{2} & A_{3} \\ 0 & t_{1} & 2 t_{1} \end{matrix}] .

步骤E中，离散化处理包括设定采样时间，以设定的采样时间间隔采样新输入指令信号，得到等时间间隔的离散型输入指令信号。其中采样时间的单位采用毫秒。

由步骤F完成指令信号的刷新，直致运动结束，从而达到抑制机器人柔性臂末端颤动的效果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种抑制机器人柔性臂末端颤动的方法，包括机器人柔性臂，设置在机器人柔性臂末端的控制系统，为控制系统提供控制指令信号的处理系统，其特征在于：所述处理系统包括如下处理步骤：

步骤C：对步骤B的最优输入整形传递函数进行归一化处理；

步骤F：以柔性臂控制系统的伺服周期为时间间隔刷新柔性臂控制系统的输入指令信号，重复步骤E直至运动结束。

2.根据权利要求1所述的抑制机器人柔性臂末端颤动的方法，其特征在于：在步骤E中，离散化处理包括设定采样时间，以设定的采样时间间隔采样新输入指令信号，得到等时间间隔的离散型输入指令信号。

3.根据权利要求2所述的抑制机器人柔性臂末端颤动的方法，其特征在于：在步骤B中，所述最优输入整形传递函数为：

F (s) = 1 - 2 \cos (2 ω_{d} T_{1}) e^{- ξ ω_{n} T_{1}} e^{- T_{1} s} + e^{- 2 ξ ω_{n} T_{1}} e^{- 2 T_{1} s}

其中：ω_n和ξ分别是柔性臂的固有频率和阻尼，