CN105643627A - 机器人运动控制的增益调整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人运动控制的增益调整方法，包括：示教装置、控制装置、驱动装置、电机和机器人，示教装置用于对机器人进行示教作业；控制装置用于向驱动装置下达运动指令；驱动装置根据运动指令完成负载惯量的识别，并作出负载增益调整，根据调整后的增益参数完成对电机的驱动；电机控制机器人运动。本发明针对典型的机器人运动(如搬运作业等)，设计一种应用于机器人运动控制的惯量识别与增益调整方法，其能够根据运动过程中的负载突变情况，辨识各轴惯量，并由此调整各轴增益，提高机器人控制性能。

Description

机器人运动控制的增益调整装置及方法

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，特别涉及一种机器人运动控制的增益调整装置及方法。

背景技术

在工业生产中，工业机器人广泛应用于搬运、焊接、喷漆、装配等领域。早期的工业机器人一般采用传统的PID控制，由于机器人往往具有较大的传动比，轨迹跟踪精度要求不高的情况下，可以忽略动力学的影响。但随着现代工业的高速发展和科学技术的不断进步，机器人完成的任务也越来越复杂，特别在高精度和快速运动的场合，对机器人工作效率和控制精度的要求已发生了质的变化，传统控制已远远满足不了要求。典型的应用是机器人抓取重物时，抓取瞬间由于负载作用，使惯量特性发生较大变化，手臂运动不能快速跟随给定轨迹，将使控制性能变差，甚至出现手臂末端“点头”的现象。

针对以上情况，典型的方法是加入机器人动力学控制。机器人操作臂的动力学建模主要是研究各主动关节的驱动力与操作臂运动的关系。机器人操作臂是一个十分复杂的动力学系统，完整的动力学模型包括机械系统的动态特性、关节及驱动的摩擦特性、刚体连杆的动力学模型。机器人动力学方程的非线性特点和强耦合性使得对它的研究十分困难和复杂。同时，由于实际测量和建模的不准确，加上负载变化、外部干扰以及大量不确定性因素的存在，很难得到机器人实际的精确、完整的动力学模型。

发明内容

本发明旨在针对机器人运动过程中的负载突变情况(例如搬运作业)，设计一种应用于机器人运动控制的增益调整方法，直接由电机控制部分进行惯量识别与增益调整，提高机器人作业时负载变化情况下的控制性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种机器人运动控制的增益调整装置，包括：示教装置、控制装置、驱动装置、电机和机器人，示教装置用于对机器人进行示教作业；控制装置用于向驱动装置下达运动指令；驱动装置根据运动指令完成负载惯量的识别，并作出负载增益调整，根据调整后的增益参数完成对电机的驱动；电机控制机器人运动。

优选的，所述示教装置与所述控制装置之间通过串口通讯连接。

优选的，控制装置与驱动装置之间通过CAN总线进行通讯。

优选的，驱动装置还包括一惯量识别装置和一增益调整装置，惯量识别装置根据电机系统动态方程动态的检测负载惯量的变化，通过检测电机电流和电机转速，采集多组数据，运用最小二乘法获取各轴负载惯量的辨识值；增益调整装置，根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益值。

本发明还提供一种机器人运动控制的增益调整方法，包括如下步骤：

示教装置对机器人进行示教作业，使机器人行进到重物抓取点；

开启示教装置界面上的惯量识别开关，开启惯量识别功能；

机器人抓取重物，检测负载惯量的变化，获取各轴负载惯量的辨识值；

根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益值；

根据各轴增益参数，完成重物的抓取、搬运后，放置重物；

关闭惯量识别功能。

优选的，所述机器人抓取重物，检测负载惯量的变化，获取各轴负载惯量的辨识值J。

优选的，根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益值，具体为：

将交流电机模型转化为直流电机模型；

获取电流环、速度环及位置环的参数；

根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益参数。

本发明的有益效果在于：针对典型的机器人运动(如搬运作业等)，设计一种应用于机器人运动控制的惯量识别与增益调整方法，其能够根据运动过程中的负载突变情况，辨识各轴惯量，并由此调整各轴增益，提高机器人控制性能。尤其在抓取重物时，通过检测负载的变换，修正控制参数，提高控制精度。

附图说明

图1为本实施例机器人运动控制增益调整装置结构图；

图2为本实施例机器人运动控制增益调整方法流程图；

图3为本实施例交流电机系统动态结构图；

图4为本实施例直流电机系统动态结构图；

图5为本实施例速度环系统结构图；

图6为本实施例位置环系统结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，机器人运动控制的增益调整装置的结构图，包括：示教装置10、控制装置20、驱动装置30、电机40和机器人50。示教装置10与控制装置20之间通过串口通讯连接；控制装置20与驱动装置30之间通过CAN总线进行通讯。示教装置10用于对机器人进行示教作业；控制装置20用于向驱动装置30下达运动指令；驱动装置30根据运动指令完成负载惯量的识别，并作出负载增益调整，根据调整后的增益参数完成对电机40的驱动；电机40控制机器人50运动。

本发明提出一种机器人运动控制的增益调整装置，对其各组成部分及工作原理作如下描述。

示教装置10，用于对机器人进行示教作业。本实施例中，操作人员通过示教装置10对机器人50进行作业示教，示教机器人50行进到重物抓取点时，通过示教装置10上的界面设置惯量识别开关变量。所述示教装置10为一编程示教盒。

控制装置20接收惯量识别开关变量，向驱动装置30下达抓取重物的运动指令。所述控制装置20为一机器人控制器。

驱动装置30根据运动指令完成负载惯量的识别，并作出负载增益调整，根据调整后的参数完成对电机40的驱动，对重物进行抓取。

所述驱动装置30还包括一惯量识别装置31和一增益调整装置32，当机器人本体50对重物进行抓取时，惯量识别装置31根据电机系统动态方程动态的检测负载惯量的变化，通过检测电机电流和电机转速，采集多组数据，运用最小二乘法获取各轴负载惯量的辨识值。增益调整装置32，根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益。所述驱动装置30为一伺服驱动器。

电机40，用于控制机器人本体50运动。

如图2所示，本发明实施例还提出一种机器人运动控制的增益调整方法，具体步骤为：

S10：示教装置对机器人进行示教作业，使机器人行进到重物抓取点。

S20：开启示教装置界面上的惯量识别开关，开启惯量识别功能。

S30：机器人抓取重物，检测负载惯量的变化，获取各轴负载惯量的辨识值。

具体的，根据电机系统动态方程动态的检测负载惯量的变化，通过检测电机电流和电机转速，采集多组数据，运用最小二乘法获取各轴负载惯量的辨识值。

电机系统动态方程为：

$J\frac{d{\mathrm{\ω}}_m}{\mathrm{dt}}=T_e-T_L---\left(1\right)$

T_e＝C_TΦI_d(2)

由公式(1)+(2)得到：

$J\frac{d{\mathrm{\ω}}_m}{\mathrm{dt}}=C_T\mathrm{\ΦI}{T}_L---\left(3\right)$

其中C_TΦ、T_L均为常数，I为电机电流，ω_m为电机转速。检测电机的电流和转速，采集多组数据，运用最小二乘法，可以得到转动惯量的辨识值J。

S40：根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益值。

本实施例中，电机的控制采用电流环、速度环、位置环三环机构，其中内环为电流环，速度环和位置环为外环。具体获取各轴增益值的方法为：

S401：将交流电机模型转化为直流电机模型。

通过坐标转换，将交流电机模型转化为直流电机模型，交流电机系统动态结构图如图3所示，直流电机系统动态结构图如图4所示。

S402：获取电流环、速度环及位置环的参数。

电流环参数可以通过工程法调试得到。设计速度环参数时，在电流环带宽远大于速度环带宽，且电流跟踪效果良好的情况下，可以近似认为电流环传递函数为1，即：

G_i(s)＝1(4)

根据公式(1)和公式(2)可得到速度环系统结构图5。速度环PI的调节器传递函数为：

$G_v\left(s\right)=K_{v\_p}(1+\frac{K_{v\_i}}{s})---\left(5\right)$

根据公式(5)，选择系统带宽，采用频域分析的方法，可以得到速度环参数：

$K_{v\_p}=\frac{J{\mathrm{\ω}}_c}{N_{v\_p}}---\left(6\right)$

$K_{v\_i}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{N_{v\_i}}---\left(7\right)$

ω_c为与采样频率相关的交越频率，N_{v_p}、N_{v_i}是计算中得到的比例系数。

同理设计位置环参数时，在速度环带宽远大于位置环带宽，且速度跟踪效果良好的情况下，可以近似认为速度环传递函数为1，即：

G_v(s)＝1(8)

位置环采用的比例控制：

G_p(s)＝K_{p_p}(9)

位置环系统结构图如图6所示。

采用频域分析的方法，可以得到位置环的参数：

$K_{p\_p}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{N_{p\_p}}---\left(10\right)$

N_{p_p}是计算中得到的比例系数。

由以上公式可以看出，当转动惯量J变化时，将直接影响闭环控制的PI参数。如果能够动态检测J的变换，并调整PI参数，就能很好的改善伺服驱动器的控制性能。

S403：根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益参数。

S50：根据各轴增益参数，完成重物的抓取、搬运后，放置重物。

S60：关闭惯量识别功能。

抓取完成后放置重物，放置完成后通过示教装置关闭惯量识别功能。

需要说明的是，机器人进入自动运行状态后，将自动按示教作业执行，在抓取前开启惯量识别功能，搬运过程中使用识别后的负载惯量和增益参数，搬运完成后自动关闭惯量识别功能，如此循环执行。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来解释和说明本发明的技术方案，而并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、变形、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机器人运动控制的增益调整装置，其特征在于，包括：示教装置、控制装置、驱动装置、电机和机器人，示教装置用于对机器人进行示教作业；控制装置用于向驱动装置下达运动指令；驱动装置根据运动指令完成负载惯量的识别，并作出负载增益调整，根据调整后的增益参数完成对电机的驱动；电机控制机器人运动。

2.如权利要求1所述的增益调整装置，其特征在于，所述示教装置与所述控制装置之间通过串口通讯连接。

3.如权利要求1所述的增益调整装置，其特征在于，控制装置与驱动装置之间通过CAN总线进行通讯。

4.如权利要求1所述的增益调整装置，其特征在于，所述驱动装置还包括一惯量识别装置和一增益调整装置，惯量识别装置根据电机系统动态方程动态的检测负载惯量的变化，通过检测电机电流和电机转速，采集多组数据，运用最小二乘法获取各轴负载惯量的辨识值；增益调整装置，根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益值。

5.一种机器人运动控制的增益调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

示教装置对机器人进行示教作业，使机器人行进到重物抓取点；

开启示教装置界面上的惯量识别开关，开启惯量识别功能；

机器人抓取重物，检测负载惯量的变化，获取各轴负载惯量的辨识值；

根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益值；

根据各轴增益参数，完成重物的抓取、搬运后，放置重物；

关闭惯量识别功能。

6.如权利要求5所述的增益调整方法，其特征在于，所述机器人抓取重物，检测负载惯量的变化，获取各轴负载惯量的辨识值J。

7.如权利要求5所述的增益调整方法，其特征在于，所述根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益值，具体为：

将交流电机模型转化为直流电机模型；

获取电流环、速度环及位置环的参数；

根据各轴负载惯量的辨识值，调整各轴增益参数。