CN106945042A

CN106945042A - 一种机械手的离散s型曲线速度控制方法

Info

Publication number: CN106945042A
Application number: CN201710195838.4A
Authority: CN
Inventors: 吴祥; 董辉; 俞立
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: CN106945042B

Abstract

一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，包括以下步骤：1)将机械手运行速度划分若干速度段，确定当前速度段的最小速度值最大速度值最小加速度最大加速度和加加速度J^P；2)机械手以时间周期T为速度规划周期，修改实际控制过程中的最大速度值；3)将速度控制分为加速、匀速、减速三个阶段，分别进行实时速度规划，机械手以最小速度为起始速度以S型曲线方式加速，当系统位置脉冲发送时间t大于等于速度规划周期T时，即t≥T，则进行一次速度规划运算。本发明有效提高运动的稳定性；同时在两轴同步运动控制中，可以实时补偿速度同步误差，有效提高控制精度。

Description

一种机械手的离散S型曲线速度控制方法

技术领域

本发明涉及一种机械手速度控制方法，尤其是一种用于机械手控制中的离散S型曲线速度控制方法，属于运动控制领域。

背景技术

中国是制造业大国，随着人口红利衰退，传统劳动密集型生产模式难以持续，机器替代人工势在必行，企业向自动化生产升级改造成为发展主要方向，中国制造业“机器换人”逐步施展，已经取得一定成果。机械手作为工业机器人的一个重要分支，是机器换人升级改造过程中被大量需求的设备之一。国内中小企业对中低端机械手需求旺盛，直角坐标机械手、非标机械手及周边自动化设备市场响应良好，如注塑机械手、三轴机械手、机床上下料机械手、裁割机械手等。

目前，上述机械手的控制系统已经逐渐成熟，高性价比的机械手控制器也层出不穷，机械手速度控制基本都基于S型速度曲线规划，较为平稳。但是大部分的轨迹速度规划都是在已知轨迹详细信息(如起点位置、终点位置、中间点坐标、位移长度等)的基础上进行的，所以在手动操作模式下(轨迹终点位置未知)对速度的控制相对较差；另一方面，两轴联动同步控制也是机械手速度控制中的一大难点，一些中低端机械手并没有做到最优。

发明内容

为了克服现有的机械手速度控制方式的单轴手动操作模式下速度的平稳控制较差、两轴联动速度控制时同步性较差的不足，本发明提出了一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，可有效实现单轴手动操作模式下速度的平稳控制；针对两轴联动速度控制，可实时补偿同步时间误差，实现较为精确的同步控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，所述方法包括以下步骤：

1)将机械手运行速度划分若干速度段，确定当前速度段的最小速度值最大速度值最小加速度最大加速度和加加速度J^P；

2)机械手以时间周期T为速度规划周期，修改实际控制过程中的最大速度值；

3)将速度控制分为加速、匀速、减速三个阶段，分别进行实时速度规划，机械手以最小速度为起始速度以S型曲线方式加速，当系统位置脉冲发送时间t大于等于速度规划周期T时，即t≥T，则进行一次速度规划运算。

进一步，所述步骤3)中，将加速阶段划分为加加速段、匀加速段、减加速，分为两种情况：①已知机械手目标位置脉冲数P_s，则当P_s-P_c≤P_a时，机械手进入减速阶段；②机械手目标位置未知，则根据机械手示教器下发的运行指令进行判断，当控制器收到停止指令时，机械手进入减速阶段，则将目标位置设定为P_s＝2*P_a+P_c+n_P，其中n_P为补偿脉冲个数，根据当前达到的最大速度值确定；从而实现了对称的S型速度控制。

再进一步，所述步骤3)中，在减速阶段，根据加速阶段得到加加速、匀加速、减加速的速度规划周期数n₀、n₁、n₂直接进行速度规划计算，完成对机械手速度的减速控制。

所述步骤3)中，针对机械手在没有加速到设定的最大速度值的情况，采用修改加速度参数方法，加入一个周期T的匀速过渡阶段。

优选的，已知当前加速阶段达到的最大加速度为已进行速度规划周期为n_a，则对减速段的最大加速度进行修改为：则减速阶段每个规划周期的加速度大小为其中n＝1,2,3….，表示减速阶段的速度规划周期数。

所述控制方法还包括以下步骤：

4)针对两轴联动控制情况，由于系统脉冲频率f实时在更新，所以实际的速度规划周期值T^r相对于期望周期T会有一定的波动，从而导致在两轴同步运动过程中，设定X轴的实际速度规划周期时间为Y轴的实际速度规划周期时间为则大多数情况下以X轴作为参考轴，当前规划周期两轴误差时间为：

将误差值补偿到Y轴当前规划周期中：从而对于补偿后的Y轴则有：从而修改Y轴当前规划周期的脉冲数为n'_PY，调整补偿了Y轴的速度规划周期大小。

所述步骤1)中，机械手运行速度范围为V_min～V_max，对应控制器可调整速度范围为1％～100％。将速度分为10段：1％～10、11％～20％、……、81％～90％、91％～100％，则每段的最小速度值最大速度值范围对应为：1％～10V_max、11％～20％V_max、……、81％～90％V_max、91％～100％V_max，随后针对每段分别进行S型曲线速度规划。

所述步骤2)中，计算加加速度阶段需要的速度规划周期数n₀，加加速度阶段速度变化值ΔV_a，修改实际控制过程中的最大速度值为

本发明的有益效果为：(1)根据S型速度规划曲线控制算法，在未知目标位置的前提下，可实现较好的实时速度规划，实现速度平稳控制；(2)根据运行参数修改调整运动控制最大速度值，减小计算误差，提高控制精度；(3)在控制系统速度规划过程中，巧妙采用对称原理，用离散的计算方式得以方便快捷的实现，计算量非常小，提高了处理效率；(4)对于两轴同步情况，以单轴作为参考轴，实时补偿周期误差，同步两轴速度变化，实现更精确的速度同步。

附图说明

图1为S型速度规划曲线；

图2为未达到最大设定速度规划方法；

图3为两轴同步速度控制误差补偿示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

参照图1～图3，一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，所述方法包括以下步骤：

机械手运行速度范围为V_min～V_max，对应控制器可调整速度范围为1％～100％。将速度分为10段：1％～10、11％～20％、……、81％～90％、91％～100％，则每段的最小速度值最大速度值范围对应为：1％～10V_max、11％～20％V_max、……、81％～90％V_max、91％～100％V_max，图1中设定当前速度段最小速度值为最大速度为随后针对每段分别进行S型曲线速度规划，根据机械手特性及运动特性分别得到合适的最小加速度值最大加速度值以及加加速度值J^P。

2)如图1所示，机械手以时间周期T为速度规划周期，计算加加速度阶段需要的速度规划周期数n₀，加加速度阶段速度变化值ΔV_a，修改实际控制过程中的最大速度值为

根据步骤1)得到以及J^P可得出从最小加速度加加速到最大加速度所需要的速度规划周期个数n₀：

进一步，可计算出加加速度阶段速度变化值ΔV_a：

进一步，在实际速度控制中，由于计算原因导致完成加速过程后实际的最大速度值跟当前速度段期望的最大速度值之间存在一定误差，则修改当前速度段的最大速度值为

上式中“/”表示取余。

3)如图1所示，将速度控制分为加速、匀速、减速三个阶段，分别进行实时速度规划，实现机械手运动控制。

首先进入加速阶段，设定运动控制系统速度规划周期为T，根据步骤1)和步骤2)得到当前速度段的相关参数：最小加速度最大加速度加加速度J^P、最小速度实际最大速度则机械手以最小速度为起始速度以S型曲线方式加速，当系统位置脉冲发送时间t大于等于速度规划周期T时，即t≥T，则进行一次速度规划运算。

进一步，将加速阶段划分为加加速段、匀加速段、减加速段。

(a)加加度段：

其中，n₀是速度规划周期的次数，当时，随后进入匀加速度段。

(b)匀加度段：

在匀加速段，机械手以最大加速度进行加速，并实时记录当前速度值V_c，当最大速度减去当前速度V_c的值小于等于加加速度段速度变化值ΔV_a时，即进入减加速段，并记录匀加速段的速度规划周期次数为n₁。

(c)减加度段：

由于减加速段和加加速段是对称的，记录速度规划周期次数为n₂，则n₂＝n₀，在n₂个周期后，加速度由减至此时，机械手速度达到最大值机械手进入匀速阶段。

进一步，记录以上加速阶段的脉冲数为P_a。

进一步，在匀速阶段记录当前累计发送脉冲数为P_c，由于加速阶段和减速阶段的对称性，则又可区分为两种情况：①已知机械手目标位置脉冲数P_s，则当P_s-P_c≤P_a时，机械手进入减速阶段；②机械手目标位置未知，则根据机械手示教器下发的运行指令进行判断，当控制器收到停止指令时，机械手进入减速阶段，则可将目标位置设定为P_s＝2*P_a+P_c+n_P(其中n_P为补偿脉冲个数，根据当前达到的最大速度值确定)，从而实现了对称的S型速度控制。

进一步，在减速阶段，根据加速阶段得到加加速、匀加速、减加速的速度规划周期数n₀、n₁、n₂直接进行速度规划计算，完成对机械手速度的减速控制。

如图2所示，针对运动控制时机械手未运行到设定的最大速度情况，进行实时速度规划。

在步骤3)中，速度控制是在机械手进入了匀速阶段的基础上进行计算的，在多数手动示教过程的实时运动控制中，由于行程太短或者手动操作指令原因。机械手在没有加速到设定的最大速度值(即没有进入匀速阶段)，就需要马上进入减速阶段，可分为以下几种情况。

(a)加速阶段只在加加速段，没有进入匀加速段，则n₁＝0、n₂＝0。

(b)加速阶段没有进入减加速段，则n₂＝0。

(c)加速阶段进入减加速段但是没有加速到最大速度，即n₂＜n₀。

以上三种情况都会导致在加速阶段和减速阶段之间没有一个平缓的衔接过渡，导致速度产生突变，在本发明中，加入一个周期T的匀速过渡阶段，已知当前加速阶段达到的最大加速度为已进行速度规划周期为n_a，则对减速段的最大加速度进行修改如下：

则减速阶段每个规划周期的加速度大小为:

其中n＝1,2,3….，表示减速阶段的速度规划周期数。

4)针对两轴联动控制，实时补偿同步误差，实现精确插补控制。

在机械手运动控制过程中，两轴联动的精确控制是一大难点，以上步骤1)～3)主要是针对单轴的速度规划控制，在实际控制过程中，由于系统脉冲频率f(等价于速度)实时在更新，所以实际的速度规划周期值T^r相对于期望周期T会有一定的波动，即T^r≥T。

设定速度规划期望周期T，脉冲定时器周期为T_t，定时器主频率为f_S，写入定时器自动重载寄存器的值为T_ARR，则速度规划周期时间T^r为：

其中n_P为发送位置脉冲数。

进一步，在两轴同步运动过程中，设定X轴实际速度规划周期时间为Y轴实际速度规划周期时间为则大多数情况下如图3所示。

更进一步，以X轴作为参考轴，当前规划周期两轴误差时间为：

将误差值补偿到Y轴当前规划周期中：

对于补偿后的Y轴则有：

从而修改Y轴当前规划周期的脉冲数为n'_PY，调整补偿了Y轴的速度规划周期大小，减小与X轴的规划周期累计误差，实现精确速度控制同步。

Claims

1.一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，将加速阶段划分为加加速段、匀加速段、减加速段，分为两种情况：①已知机械手目标位置脉冲数P_s，则当P_s-P_c≤P_a时，机械手进入减速阶段；②机械手目标位置未知，则根据机械手示教器下发的运行指令进行判断，当控制器收到停止指令时，机械手进入减速阶段，则将目标位置设定为P_s＝2*P_a+P_c+n_P，其中n_P为补偿脉冲个数，根据当前达到的最大速度值确定；从而实现了对称的S型速度控制。

3.如权利要求2所述的一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，在减速阶段，根据加速阶段得到加加速、匀加速、减加速的速度规划周期数n₀、n₁、n₂直接进行速度规划计算，完成对机械手速度的减速控制。

4.如权利要求1～3之一所述的一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，针对机械手在没有加速到设定的最大速度值的情况，采用修改加速度参数方法，加入一个周期T的匀速过渡阶段。

5.如权利要求4所述的一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，其特征在于：已知当前加速阶段达到的最大加速度为已进行速度规划周期为n_a，则对减速段的最大加速度进行修改为：则减速阶段每个规划周期的加速度大小为其中n＝1,2,3….，表示减速阶段的速度规划周期数。

6.如权利要求1～3之一所述的一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括以下步骤：

4)针对两轴联动控制情况，由于系统脉冲频率f实时在更新，所以实际的速度规划周期值T^r相对于期望周期T会有一定的波动，从而导致在两轴同步运动过程中，设定X轴实际速度规划周期时间为Y轴实际速度规划周期时间为则大多数情况下以X轴作为参考轴，当前规划周期两轴误差时间为：

7.如权利要求1～3之一所述的一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，机械手运行速度范围为V_min～V_max，对应控制器可调整速度范围为1％～100％。将速度分为10段：1％～10、11％～20％、……、81％～90％、91％～100％，则每段的最小速度值最大速度值范围对应为：1％～10V_max、11％～20％V_max、……、81％～90％V_max、91％～100％V_max，随后针对每段分别进行S型曲线速度规划。

8.如权利要求1～3之一所述的一种机械手的离散S型曲线速度控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，计算加加速度阶段需要的速度规划周期数n₀，加加速度阶段速度变化值ΔV_a，修改实际控制过程中的最大速度值为