CN107097233A - 一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法 - Google Patents

一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法 Download PDF

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刘文礼
韩峰涛
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Abstract

本发明提出了一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，包括：采用关节逆动力学模型进行关节力矩补偿，以控制关节处于近零力平衡控制状态；根据抖动控制原理，在摩擦力死区内，通过主动抖动控制前馈，以使关节处于激活状态，并对采用串级PID控制的通用控制系统，速度积分增益为正常控制时的一个数量级以上，增大控制器速度积分增益以提高控制系统在摩擦力死区内的动态响应；采斜坡动态补偿方法对库伦摩擦进行补偿；拖动示教技术在通用位置控制模式下实现，以避免驱动器控制模式切换。本发明采用的拖动示教方法，无需配置力传感器，成本低。

Description

一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法。
背景技术
目前工业机器人应用领域从汽车、电子电器、机械等行业逐步向其他应用领域扩展，在越来越多的应用任务中，尤其是产品线更替周期短的应用场景，对机器人的应用柔性和部署快速性提出了更高要求。在传统应用领域，机器人应用任务示教环节占据了大量部署时间，并且传统工业机器人采用的示教盒现场示教或者离线编程示教方式，都需要操作人员具备较高的专业技术，为机器人应用的带来一定难度。拖动示教技术通过直接手持牵引机器人到达指定位姿或沿特定轨迹移动，同时记录示教过程的位姿数据，以直观方式对机器人应用任务进行示教，可大幅缩短工业机器人在应用部署阶段的编程效率，降低对操作人员的要求，达到降本增效的目的。
根据外部拖动力信息获取方式的不同，工业机器人拖动示教实现方式分为两种：1)依赖外部力传感器的拖动示教，2)无力传感器的拖动示教。
目前安装六维力/力矩传感器的拖动示教方式，通过传感器敏感外部牵引力，并通过控制算法将外部力信息转换为关节运动控制信息，引导机器人末端移动或旋转，完成应用任务示教。此种直接示教方式，虽然可以取得比较好的应用效果，但存在以下几方面不足：1)传感器成本高，不适用于低成本小负载机器人；2)需要控制系统配置额外的资源处理数据；3)示教在笛卡尔空间完成，无法自由配置关节位姿，在存在避障要求的环境中应用受限。
无力矩传感器的拖动示教，通过动力学模型和外力估计算法，结合机器人关节驱动力、电机编码器等自身采集信息，完成重力、摩擦力等关节运动需克服的驱动力补偿，使机器人处于近零力控制状态，以便手动牵引机器人移动。无力矩传感器的拖动示教可以较低的系统成本实现与力传感器接近的直接示教效果。
虽然无力矩传感器的拖动示教技术是一种低成本的替代方案，但仍存在亟待解决的难点比如动力学模型补偿精度低、低速区摩擦力补偿不确定性、小范围精确移动难控制以及在通用机器人控制系统的应用配置等问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，包括如下步骤：
步骤S1，采用关节逆动力学模型进行关节力矩补偿，以控制关节处于近零力平衡控制状态；
步骤S2，根据抖动控制原理，在摩擦力死区内，通过主动抖动控制前馈，以使关节处于激活状态，并对采用串级PID控制的通用控制系统，速度积分增益为正常控制时的一个数量级以上，增大控制器速度积分增益以提高控制系统在摩擦力死区内的动态响应；
步骤S3，采斜坡动态补偿方法对库伦摩擦进行补偿，包括：采用下式的斜坡动态补偿方程：
其中，为关节运动速度，通过低通差分方法得到，为库伦摩擦线性补偿角速度下限，角速度低于该值时，不进行库伦摩擦补偿，的设置根据关节低速运动角速度噪声水平确定；为库伦摩擦线性补偿上限，超过该值库伦摩擦为恒定值；角速度区间内，库伦摩擦力补偿值随角速度斜坡过渡；
步骤S4，拖动示教技术在通用位置控制模式下实现，以避免驱动器控制模式切换，其中，所述通用位置控制模式为：
将驱动器位置环比例增益Kp，速度环比例增益Kv置为零；
通过下式所示的输出偏差观测器，估计由积分初值带来的控制量，并对前馈信号进行补偿
τffd(tk)＝τffd(tk-1)+Δu(tk)
Δu(tk)＝τid(tk)-τid(tk-1)+K{τid(tk)-[τc(tk)+Δu(tk-1)+Δu(tk-2)]}
将补偿力矩和模型补偿力矩通过力矩前馈项加载至电流环；
调整速度环积分增益至主动抖动控制；
在关节运动速度大于摩擦力死区速度时，关闭主动抖动控制信号，只保留模型补偿力，当拖动进入摩擦力死区内，重新启动抖动控制信号前馈。
进一步，在所述步骤S1中，所述关节逆动力学模型为：
其中：G(q)分别为关节端的惯性力、科氏力、重力；
为关节摩擦力，在此以线性模型表示，包括动摩擦和库伦摩擦两项：
关节位置q通过电机编码器获取，关节速度通过位置的数据通过下式低通差分方法得到：
进一步，在所述步骤S2中，所述PID控制的通用控制系统中，电流环控制信号输入如下所示：
主动抖动控制信号的形式采用方波信号，直接施加在力矩控制环，采用定周期方波信号，抖动控制信号采用下式所示的分段函数形式，包括：摩擦死区抖动上升段，摩擦死区抖动信号饱和段，滑动摩擦段；
其中：t为进入摩擦死区时间；Amp为抖动信号的幅值，由库伦摩擦力的幅值决定，该参数可由动力学参数辨识得到；为周期方波函数，Tdither为抖动控制信号周期，抖动信号的频率由库伦摩擦的动态响应特性决定，Tramp为抖动控制信号斜坡上升时间。
进一步，在所述步骤S3中，
其中，dhold为设定的目标点动范围，超过该值停止摩擦力补偿；d0为线性补偿下限，当移动距离小于该值摩擦力正常补偿，移动距离超过该值并向目标值靠近时摩擦力补偿线性降低。
根据本发明实施例的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，具有以下有益效果：
1)采用的拖动示教方法，无需配置力传感器，成本低；
2)方法在机器人控制系统应用无需切换驱动器的控制模式，只需简单的在线配置即可实现，对一般机器人控制系统具有普适性；
3)采用的主动抖动控制方法，可有效降低摩擦力死区内克服库伦摩擦的牵引力，使牵引移动更平顺；
4)采用的库伦摩擦力线性补偿方法可有效提高牵引移动精度尤其是小范围移动的精度。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法的流程图；
图2为根据本发明另一个实施例的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法的框架图；
图3为根据本发明实施例的采用串级PID控制的通用控制框架图；
图4为根据本发明实施例的抖动信号的中值和幅值的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本发明实施例的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，包括如下步骤：
步骤S1，采用关节逆动力学模型进行关节力矩补偿，以控制关节处于近零力平衡控制状态。
具体地，采用下式关节逆动力学模型进行关节力矩补偿，关节处于近零力平衡控制状态。
牵引示教过程牵引力只需平衡惯性力作用，对于小负载工业机器人，在示教过程移动速度较小连杆惯量小的情况下，可以较小的力完成机器人牵引移动过程。
其中：G(q)分别为关节端的惯性力、科氏力、重力。
为关节摩擦力，在此以线性模型表示，包括动摩擦和库伦摩擦两项：
逆动力学模型中的各项参数采用工业机器人动力学参数辨识方法得到。关节位置q通过电机编码器获取，关节速度通过位置的数据通过下式低通差分方法得到：
步骤S2，根据抖动控制原理，在摩擦力死区内，通过主动抖动控制前馈，以使关节处于激活状态，并对采用串级PID控制的通用控制系统，速度积分增益为正常控制时的一个数量级以上，增大控制器速度积分增益以提高控制系统在摩擦力死区内的动态响应。
具体地，为克服力矩补偿控制下关节低速区库伦摩擦补偿不确定性的问题，根据抖动控制原理，在摩擦力死区内，通过主动抖动控制前馈，使关节处于激活状态。同时对采用串级PID控制的通用控制框架，如图3所示。速度积分增益为正常控制时的一个数量级以上，通过增大控制器速度积分增益提高控制系统在摩擦力死区内的动态响应。电流环控制信号输入如式(4)所示。
主动抖动控制信号的形式采用方波信号，直接施加在力矩控制环，采用定周期方波信号，为保证控制过程平稳，抖动控制信号采用式(5)所示的分段函数形式，包括：a.摩擦死区抖动上升段，b.摩擦死区抖动信号饱和段，c.滑动摩擦段。
其中：t为进入摩擦死区时间；Amp为抖动信号的幅值，由库伦摩擦力的幅值决定，该参数可由动力学参数辨识得到。
为周期方波函数，Tdither为抖动控制信号周期，抖动信号的频率由库伦摩擦的动态响应特性决定。Tramp为抖动控制信号斜坡上升时间，在该时间内抖动信号的中值和幅值都按照图4所示的时间规律斜坡上升。
步骤S3，采斜坡动态补偿方法对库伦摩擦进行补偿。
具体地，由式(2)可知库伦摩擦力是与速度方向相关的非线性项，为降低由关节位置差分噪声引起的库伦摩擦补偿的不确定性，对库伦摩擦采用斜坡动态补偿方法：
其中，为关节运动速度，通过式(3)的低通差分方法得到，为库伦摩擦线性补偿角速度下限，角速度低于该值时，不进行库伦摩擦补偿，的设置根据关节低速运动角速度噪声水平确定。为库伦摩擦线性补偿上限，超过该值库伦摩擦为恒定值。角速度区间内，库伦摩擦力补偿值随角速度斜坡过渡。α为库伦摩擦补偿系数，通过调节该系数可适当增加拖动过程的阻尼，提高移动精度。
库伦摩擦死区的存在使得无传感器的拖动示教很难实现小范围精确移动，为实现小范围定位移动，通过式(6)的摩擦力补偿方法，实现移动距离可设置的拖动点动模式。
其中dhold为设定的目标点动范围，超过该值停止摩擦力补偿。d0为线性补偿下限，当移动距离小于该值摩擦力正常补偿，移动距离超过该值并向目标值靠近时摩擦力补偿线性降低。
步骤S4，拖动示教技术在通用位置控制模式下实现，以避免驱动器控制模式切换。
具体地，对上述无力矩传感器的拖动示教方法，在机器人控制系统的实现方式如图2所示，为了提高方法的通用性，所提拖动示教技术在通用位置控制模式下实现，从而避免驱动器控制模式切换，控制系统设置方法如下：
1)将驱动器位置环比例增益Kp，速度环比例增益Kv置为零(如果位置控制有积分反馈，则需将位置环积分增益同样置为零)；
2)通过式(8)所示的输出偏差观测器，估计由积分初值带来的控制量，并对前馈信号进行补偿
τffd(tk)＝τffd(tk-1)+Δu(tk)
Δu(tk)＝τid(tk)-τid(tk-1)+K{τid(tk)-[τc(tk)+Δu(tk-1)+Δu(tk-2)]} (8)
3)将由(1)式得到的模型补偿力矩和由(5)式得到的模型补偿力矩通过力矩前馈项加载至电流环；
4)调整速度环积分增益至主动抖动控制可显著降低库伦摩擦力死区阈值，并且不引起关节明显抖动；
5)在关节运动速度大于摩擦力死区速度时，关闭主动抖动控制信号，只保留模型补偿力，当拖动进入摩擦力死区内，重新启动抖动控制信号前馈。
本发明实施例的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，通过逆动力学模型补偿方式实现关节零力控制，并且机器人动力学参数可由参数辨识方法得到；在摩擦力死区内，通过主动抖动控制并增大控制器速度积分增益，提高控制系统在摩擦力死区内的动态响应；通过库伦摩擦与关节运动速度，移动距离相关的动态补偿，提高牵引示教移动精度；通过驱动器增益在线调整以及力矩前馈控制信号调整，实现所提方法在通用机器人控制系统的应用。
根据本发明实施例的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，具有以下有益效果：
1)采用的拖动示教方法，无需配置力传感器，成本低；
2)方法在机器人控制系统应用无需切换驱动器的控制模式，只需简单的在线配置即可实现，对一般机器人控制系统具有普适性；
3)采用的主动抖动控制方法，可有效降低摩擦力死区内克服库伦摩擦的牵引力，使牵引移动更平顺；
4)采用的库伦摩擦力线性补偿方法可有效提高牵引移动精度尤其是小范围移动的精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (4)

1.一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用关节逆动力学模型进行关节力矩补偿，以控制关节处于近零力平衡控制状态；
步骤S2，根据抖动控制原理，在摩擦力死区内，通过主动抖动控制前馈，以使关节处于激活状态，并对采用串级PID控制的通用控制系统，速度积分增益为正常控制时的一个数量级以上，增大控制器速度积分增益以提高控制系统在摩擦力死区内的动态响应；
步骤S3，采用斜坡动态补偿方法对库伦摩擦进行补偿，包括：采用下式的斜坡动态补偿方程：
<mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <msub> <mi>F</mi> <mi>c</mi> </msub> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>&lt;</mo> <msub> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;F</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>&gt;</mo> <msub> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中，为关节运动速度，通过低通差分方法得到，为库伦摩擦线性补偿角速度下限，角速度低于该值时，不进行库伦摩擦补偿，的设置根据关节低速运动角速度噪声水平确定；为库伦摩擦线性补偿上限，超过该值库伦摩擦为恒定值；角速度区间内，库伦摩擦力补偿值随角速度斜坡过渡；
步骤S4，拖动示教技术在通用位置控制模式下实现，以避免驱动器控制模式切换，其中，所述通用位置控制模式为：
将驱动器位置环比例增益Kp，速度环比例增益Kv置为零；
通过下式所示的输出偏差观测器，估计由积分初值带来的控制量，并对前馈信号进行补偿
τffd(tk)＝τffd(tk-1)+Δu(tk)
Δu(tk)＝τid(tk)-τid(tk-1)+K{τid(tk)-[τc(tk)+Δu(tk-1)+Δu(tk-2)]}
将补偿力矩和模型补偿力矩通过力矩前馈项加载至电流环；
调整速度环积分增益至主动抖动控制；
在关节运动速度大于摩擦力死区速度时，关闭主动抖动控制信号，只保留模型补偿力，当拖动进入摩擦力死区内，重新启动抖动控制信号前馈。
2.如权利要求1所述的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述关节逆动力学模型为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>q</mi> <mo>,</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>q</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中：G(q)分别为关节端的惯性力、科氏力、重力；
为关节摩擦力，在此以线性模型表示，包括动摩擦和库伦摩擦两项：
<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>v</mi> </msub> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>s</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
关节位置q通过电机编码器获取，关节速度通过位置的数据通过下式低通差分方法得到：
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3.如权利要求1所述的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述PID控制的通用控制系统中，电流环控制信号输入如下所示：
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主动抖动控制信号的形式采用方波信号，直接施加在力矩控制环，采用定周期方波信号，抖动控制信号采用下式所示的分段函数形式，包括：摩擦死区抖动上升段，摩擦死区抖动信号饱和段，滑动摩擦段；
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其中：t为进入摩擦死区时间；Amp为抖动信号的幅值，由库伦摩擦力的幅值决定，该参数可由动力学参数辨识得到；为周期方波函数，Tdither为抖动控制信号周期，抖动信号的频率由库伦摩擦的动态响应特性决定，Tramp为抖动控制信号斜坡上升时间。
4.如权利要求1所述的无力矩传感器的工业机器人拖动示教方法，其特征在于，在所述步骤S3中，
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其中，dhold为设定的目标点动范围，超过该值停止摩擦力补偿；d0为线性补偿下限，当移动距离小于该值摩擦力正常补偿，移动距离超过该值并向目标值靠近时摩擦力补偿线性降低。
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