CN107901037A - 一种机器人关节动力学模型修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间机器人研究应用技术领域，具体涉及一种机器人关节动力学模型修正方法，包括：步骤一：建立机器人关节控制系统仿真模型；步骤二：对机器人关节各项动力学参数进行辨识；步骤三：对控制系统中各项动力学参数进行修正。本发明提供的一种机器人关节动力学模型的修正方法，通过对机器人关节动力学模型的参数辨识和修正，一方面可以对机器人的性能进行更加准确的评估，另一方面可以进一步完善机器人的仿真模型，对其控制系统的设计提供参考。

Description

一种机器人关节动力学模型修正方法

技术领域

本发明属于空间机器人研究应用技术领域，具体涉及一种机器人关节动力学模型修正方法。

背景技术

面对以空间目标抓捕系统、非合作目标抓捕对接为代表的空间任务和以轻型/仿人机械臂为代表的工业机器人项目，任务要求高、研制周期短且没有成熟的案例可供参考，传统的机器人关节设计方法大多根据设计人员的经验，给出初步设计方案，再对其进行校核分析并重新设计的循环设计流程已然不能满足日趋快速化的任务需求。

传统的针对机器人各项性能指标的评估主要依靠机器人样机实验验证，评估手段单一，而且往往需要几轮的样机试验才能完成最终的设计，样机及实验测试系统的造价昂贵且大幅延长了设计周期，而简单的控制系统仿真手段由于其仿真模型的参数失真导致仿真结果的准确性低，不能真实准确的反应机器人关节的各项性能，大大降低了仿真模型对真实关节控制系统设计的参考价值。

通过实验对机器人的各关节样机进行参数测定和修正是必要且重要的研究工作，尤其对各关节控制系统的设计和调试具有重要的参考价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人关节动力学模型修正方法，用于解决对空间机器人关节各项性能参数及动力学模型的测定和修正技术问题。

本发明的技术方案是：

一种机器人关节动力学模型修正方法，包括：

步骤一：建立机器人关节控制系统仿真模型；

步骤二：对机器人关节各项动力学参数进行辨识；

步骤三：对控制系统中各项动力学参数进行修正。

所述步骤一：建立机器人关节控制系统仿真模型，包括：

步骤1.1：通过上位控制算法对各关节进行轨迹规划，并向关节驱动器接收发送上位控制系统发送的该关节的位置指令信号；

步骤1.2二：控制驱动器接收到位置指令信号；通过驱动器中的三环反馈控制算法，经驱动放大电路，输出伺服电机的驱动电压Ua；

所述三环反馈中，电流环是在驱动器内部完成的信号采集及反馈工作；通过连接在电机轴上的多圈绝对式光电编码器可测得高速轴上的速度和位置信号，并反馈到控制驱动器中，完成速度闭环和位置闭环；

步骤1.3：伺服电机受到驱动电压Ua的作用，输出作用在电机高速轴上的驱动力矩Tz；

步骤1.4：电机轴带动谐波减速器，经减速器的力矩放大及减速作用，带动臂杆及负载运动；

根据上述的控制流程，建立伺服电机的电气方程、运动方程，电机轴、谐波减速器及负载的运动方程、力矩平衡方程：

其中：ua-输入电压；Ra-电机电阻；ia-电机电流；La-电机电感；E-反电动势；Ce-反电动势常数；Cm-转矩常数；Tm-电机力矩；Tz-电机轴输出力矩；Tx-谐波减速器输出力矩；Tb-作用在负载上的有效力矩；wm-电机轴角速度；wb-负载端角速度；Jm-电机转动惯量；Jz-谐波减速器转动惯量；Jb-负载转动惯量；Bm-电机阻尼系数；Bb-传动机构阻尼系数；θb- 实际输出端转动角度；θa-理论输出端转动角度；K-传动链刚度系数；N- 传动链减速比。

根据上述拉氏变换方程，建立该空间机器人关节控制系统仿真模型。

所述步骤二：机器人关节参数辨识，包括：

步骤2.1，功率法测定机械臂关节阻尼：

当关节空载，匀速转动时，关节电机输入的能量完全由关节的阻尼耗散；此时关节电机的驱动功率等于关节阻尼的耗散功率；通常认为关节阻尼是关节转速的函数，则上述功率关系可以表示如下：

P_M＝T_i(ω)·ω

其中，PM表示电机的驱动功率，Ti(ω)表示关节转速为ω时的关节阻尼力矩；

步骤2.2测定机械臂关节的扭转刚度特性曲线：

在关节末端施加负载，并测定可控负载下关节输入、输出端的扭转角度，测定出关节的扭转刚度特性曲线；

步骤2.3绘制关节的阻尼系数特性曲线：

通过测定关节输入功率P₁、输出功率P₂，可以得到损耗功率，再测定关节速度ω，即可通过测定数据计算出关节的阻尼系数，并绘制阻尼系数特性曲线；

K＝(P₂-P₁)/ω²

步骤2.4测定关节间隙非线性特性：

当关节输入信号为正弦扫频信号，通过关节高速轴上的码盘测定电机轴的位移信号，通过关节测试平台上的光电码盘测量关节输出端的位置信号，将关节告诉轴上的位置信号除以理论减速比与实际测量位置信号进行对比即可测定关节间隙非线性特性；

步骤2.5测定出关节的负载特性曲线；

通过磁粉制动器或手动加载给关节末端施加不同的关节负载，即测定出关节的负载特性曲线。

所述步骤三：对控制系统中各项动力学参数进行修正，包括：

根据步骤二对机器人关节各项参数的辨识结果，修正控制系统仿真模型中的各项参数，使仿真模型更加真实贴近实际。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种机器人关节动力学模型的修正方法，通过对机器人关节动力学模型的参数辨识和修正，一方面可以对机器人的性能进行更加准确的评估，另一方面可以进一步完善机器人的仿真模型，对其控制系统的设计提供参考。

本发明填补了空间机器人在这一领域的空白，可以为空间机械臂关节结构设计、关节控制参数优化、关节动力学仿真模型以及关节半实物仿真环境搭建提供有力数据支撑，实现设计评估闭环，无论是对空间机器人的整臂联调还是对机器人后续优化研究都具有重要的参考价值。

附图说明

图1为本发明所述的一种机器人关节动力学模型修正方法的流程图。

图2为本发明所述的一种机器人关节动力学模型修正方法中建立机器人关节控制系统仿真模型的控制流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术进行进一步描述：

一种机器人关节动力学模型修正方法，包括：

步骤一：建立机器人关节控制系统仿真模型；

步骤二：对机器人关节各项动力学参数进行辨识；

步骤三：对控制系统中各项动力学参数进行修正。

所述步骤一：建立机器人关节控制系统仿真模型，包括：

步骤1.1：通过上位控制算法对各关节进行轨迹规划，并向关节驱动器接收发送上位控制系统发送的该关节的位置指令信号；

步骤1.2二：控制驱动器接收到位置指令信号；通过驱动器中的三环反馈控制算法，经驱动放大电路，输出伺服电机的驱动电压Ua；

所述三环反馈中，电流环是在驱动器内部完成的信号采集及反馈工作；通过连接在电机轴上的多圈绝对式光电编码器可测得高速轴上的速度和位置信号，并反馈到控制驱动器中，完成速度闭环和位置闭环；

步骤1.3：伺服电机受到驱动电压Ua的作用，输出作用在电机高速轴上的驱动力矩Tz；

步骤1.4：电机轴带动谐波减速器，经减速器的力矩放大及减速作用，带动臂杆及负载运动；

根据上述的控制流程，建立伺服电机的电气方程、运动方程，电机轴、谐波减速器及负载的运动方程、力矩平衡方程：

其中：ua-输入电压；Ra-电机电阻；ia-电机电流；La-电机电感；E-反电动势；Ce-反电动势常数；Cm-转矩常数；Tm-电机力矩；Tz-电机轴输出力矩；Tx-谐波减速器输出力矩；Tb-作用在负载上的有效力矩；wm-电机轴角速度；wb-负载端角速度；Jm-电机转动惯量；Jz-谐波减速器转动惯量；Jb-负载转动惯量；Bm-电机阻尼系数；Bb-传动机构阻尼系数；θb- 实际输出端转动角度；θa-理论输出端转动角度；K-传动链刚度系数；N- 传动链减速比。

根据上述拉氏变换方程，建立该空间机器人关节控制系统仿真模型。

所述步骤二：机器人关节参数辨识，包括：

步骤2.1，功率法测定机械臂关节阻尼：

当关节空载，匀速转动时，关节电机输入的能量完全由关节的阻尼耗散；此时关节电机的驱动功率等于关节阻尼的耗散功率；通常认为关节阻尼是关节转速的函数，则上述功率关系可以表示如下：

P_M＝T_i(ω)·ω

其中，PM表示电机的驱动功率，Ti(ω)表示关节转速为ω时的关节阻尼力矩；通过上述方法测定的是关节电机内部阻尼和关节传动机构阻尼的合效果，即从关节能量输入端到关节运动输出端的总损耗。这对于运动输入的关节，即关节控制量为关节电机的转角或转速，具有良好的实用价值。

步骤2.2测定机械臂关节的扭转刚度特性曲线：

在关节末端施加负载，并测定可控负载下关节输入、输出端的扭转角度，测定出关节的扭转刚度特性曲线；

步骤2.3绘制关节的阻尼系数特性曲线：

通过测定关节输入功率P₁、输出功率P₂，可以得到损耗功率，再测定关节速度ω，即可通过测定数据计算出关节的阻尼系数，并绘制阻尼系数特性曲线；

K＝(P₂-P₁)/ω²

步骤2.4测定关节间隙非线性特性：

当关节输入信号为正弦扫频信号，通过关节高速轴上的码盘测定电机轴的位移信号，通过关节测试平台上的光电码盘测量关节输出端的位置信号，将关节告诉轴上的位置信号除以理论减速比与实际测量位置信号进行对比即可测定关节间隙非线性特性；

步骤2.5测定出关节的负载特性曲线；

通过磁粉制动器或手动加载给关节末端施加不同的关节负载，即测定出关节的负载特性曲线。

所述步骤三：对控制系统中各项动力学参数进行修正，包括：

根据步骤二对机器人关节各项参数的辨识结果，修正控制系统仿真模型中的各项参数，使仿真模型更加真实贴近实际。

本发明所述机器人关节的伺服系统包括：伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器，所述机器人关节伺服系统的结构形式为半闭环系统。所述半闭环系统的速度和位置反馈信号取自电机轴上，关节传动系统的机械传动装置处于反馈回路之外。半闭环系统的定位精度与机械传动装置的传动精度有关。要实现高精度和高动态性能随动控制，需要同时对电机的电流、速度及位置进行控制。机械臂关节的控制策略即为通过三闭环(即电流环、速度环、位置环)结构最终实现对机械臂关节位置的伺服控制。

Claims (4)

1.一种机器人关节动力学模型修正方法，其特征在于，包括：

步骤一：建立机器人关节控制系统仿真模型；

步骤二：对机器人关节各项动力学参数进行辨识；

步骤三：对控制系统中各项动力学参数进行修正。

2.根据权利要求1所述一种机器人关节动力学模型修正方法，其特征在于：

所述步骤一：建立机器人关节控制系统仿真模型，包括：

步骤1.1：通过上位控制算法对各关节进行轨迹规划，并向关节驱动器接收发送上位控制系统发送的该关节的位置指令信号；

步骤1.2二：控制驱动器接收到位置指令信号；通过驱动器中的三环反馈控制算法，经驱动放大电路，输出伺服电机的驱动电压Ua；

所述三环反馈中，电流环是在驱动器内部完成的信号采集及反馈工作；通过连接在电机轴上的多圈绝对式光电编码器可测得高速轴上的速度和位

置信号，并反馈到控制驱动器中，完成速度闭环和位置闭环；

步骤1.3：伺服电机受到驱动电压Ua的作用，输出作用在电机高速轴上的驱动力矩Tz；

步骤1.4：电机轴带动谐波减速器，经减速器的力矩放大及减速作用，带动臂杆及负载运动；

根据上述的控制流程，建立伺服电机的电气方程、运动方程，电机轴、谐波减速器及负载的运动方程、力矩平衡方程：

其中：ua-输入电压；Ra-电机电阻；ia-电机电流；La-电机电感；E-反电动势；Ce-反电动势常数；Cm-转矩常数；Tm-电机力矩；Tz-电机轴输出力矩；Tx-谐波减速器输出力矩；Tb-作用在负载上的有效力矩；wm-电机轴角速度；wb-负载端角速度；Jm-电机转动惯量；Jz-谐波减速器转动惯量；Jb-负载转动惯量；Bm-电机阻尼系数；Bb-传动机构阻尼系数；θb-实际输出端转动角度；θa-理论输出端转动角度；K-传动链刚度系数；N-传动链减速比；根据上述拉氏变换方程，建立该空间机器人关节控制系统仿真模型。

3.根据权利要求1所述一种机器人关节动力学模型修正方法，其特征在于：

所述步骤二：机器人关节参数辨识，包括：

步骤2.1，功率法测定机械臂关节阻尼：

当关节空载，匀速转动时，关节电机输入的能量完全由关节的阻尼耗散；此时关节电机的驱动功率等于关节阻尼的耗散功率；通常认为关节阻尼是关节转速的函数，则上述功率关系可以表示如下：

P_M＝T_i(ω)·ω

其中，PM表示电机的驱动功率，Ti(ω)表示关节转速为ω时的关节阻尼力矩；

步骤2.2测定机械臂关节的扭转刚度特性曲线：

在关节末端施加负载，并测定可控负载下关节输入、输出端的扭转角度，测定出关节的扭转刚度特性曲线；

步骤2.3绘制关节的阻尼系数特性曲线：

通过测定关节输入功率P₁、输出功率P₂，可以得到损耗功率，再测定关节速度ω，即可通过测定数据计算出关节的阻尼系数，并绘制阻尼系数特性曲线；

K＝(P₂-P₁)/ω²

步骤2.4测定关节间隙非线性特性：

当关节输入信号为正弦扫频信号，通过关节高速轴上的码盘测定电机轴的位移信号，通过关节测试平台上的光电码盘测量关节输出端的位置信号，将关节告诉轴上的位置信号除以理论减速比与实际测量位置信号进行对比即可测定关节间隙非线性特性；

步骤2.5测定出关节的负载特性曲线；

通过磁粉制动器或手动加载给关节末端施加不同的关节负载，即测定出关节的负载特性曲线。

4.根据权利要求1所述一种机器人关节动力学模型修正方法，其特征在于：

所述步骤三：对控制系统中各项动力学参数进行修正，包括：

根据步骤二对机器人关节各项参数的辨识结果，修正控制系统仿真模型中的各项参数，使仿真模型更加真实贴近实际。