CN108115669A - 一种机器人浮动控制方法、装置及系统 - Google Patents
一种机器人浮动控制方法、装置及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的一种机器人浮动控制方法、装置及系统，机器人本体包括多个用于实现机器人本体动作的电机，机器人控制器对机器人运动的运动学计算和轨迹规划，通过控制总线将运动指令发送给电机驱动器，电机驱动器控制电机运行，实现关节的运动控制，与机器人本体之间通过编码器读取所述电机的位置信息和电流信息计算电机转矩，机器人控制器计算外作用力，并按照力位混合控制结构进行控制，在力闭环和位置闭环之间通过选择矩阵进行切换，机器人控制器进行浮动控制时由矩阵选择切换到力控制模式进行控制，通过检测电机的位置、电流等信息，检测机器人本体与外作用力，在不降低机器人关节刚度和不增加系统成本的基础上，实现工业机器人浮动控制。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种机器人浮动控制方法、装置及系统。
背景技术
在一些工业加工领域，机器人常常参与到工具的注塑、压制等过程中，这时常常要求工业机器人能够随着加工工件的形变而柔顺运动，这种技术被称为“浮动控制技术”，属于力控制的一种。
早期的工业机器人力控制一般采用六维力/力矩传感器，这种传感方式的力控制力检测精度高，控制方法简单，适用于机器人装配、打磨等应用场合。但由于六维力/力矩传感器价格昂贵，限制了其应用的推广。近年来，随着技术的进步，采用关节转矩传感器的力控制方式得到越来越多的应用，这种传感方式将关节转矩传感器安装在关节位置，可以检测机器人任意位置与外部环境发生的作用力。
由于关节传动机构自身具有柔性，关节转矩传感器的安装又增加了关节的柔性，当机器人进行运动控制时，柔性的增加使机器人的关节位置控制精度降低，进而影响整个机器人的位置控制精度，甚至不能有效跟随给定轨迹，使机器人性能出现明显下降。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种机器人浮动控制方法、装置及系统。
本发明实施例中提供一种机器人浮动控制系统，包括机器人控制器、电机驱动器及机器人本体，所述机器人本体包括多个用于实现机器人本体动作的电机，所述机器人控制器和所述电机驱动器之间采用控制总线连接，所述电机驱动器与所述电机采用动力线连接；
所述机器人控制器，用于机器人运动的运动学计算和轨迹规划，通过控制总线将运动指令发送给电机驱动器；
所述电机驱动器，用于控制电机运行，实现关节的运动控制，与所述机器人本体之间通过编码器读取所述电机的位置信息和电流信息计算电机转矩，所述机器人控制器计算外作用力，并按照力位混合控制结构进行控制，在力闭环和位置闭环之间通过选择矩阵进行切换，所述机器人控制器进行浮动控制时由矩阵选择切换到力控制模式进行控制，以完成浮动控制操作。
可选地，所述电机为伺服电机。
本发明实施例中提供一种机器人浮动控制方法，包括：
获取电机位置和电流信息；
利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩；
计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制；
在力闭环和位置闭环之间选择所需矩阵进行切换；
在进行浮动控制时将矩阵选择切换到力控制模式，以实现浮动控制操作。
可选地，所述利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩，包括：
当转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波，定子电枢绕组中的感应电势也为正弦波，忽略定子铁心饱和，配置磁路线性和电感参数不变，不计算铁心涡流与磁滞等损耗，采用转子磁场定向控制时将电机的转矩方程简化为：
其中τm为电机转矩，np为极对数，ψf为磁场系数，isq为q轴电流；
利用所述转矩方程确定电机转矩。
可选地，所述计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制，包括：
完整动力学方程为：
式中，为机器人关节处的摩擦力矩，τext为施加在关节上的外作用力矩；
结合电机转子动力学得到电机转子的转矩平衡方程为：
其中，Jm为电机转子的惯量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比；
带入关节角度关系，得到：
确定作用在关节上的反应转矩τext：
代入电机转矩模型和关节转矩关系，得到：
代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于机器人本体末端六维广义外作用力Fext为：
利用所述外作用力Fext结合力位混合控制进行所述机器人本体的浮动控制。
本发明实施例中提供一种机器人浮动控制装置，包括：
获取单元，用于获取电机位置和电流信息；
第一计算单元，用于利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩；
第二计算单元，用于计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制；
切换单元，用于在力闭环和位置闭环之间选择所需矩阵进行切换；
控制单元，用于在进行浮动控制室将矩阵选择切换到力控制模式，以实现浮动控制操作。
可选地，所述第一计算单元还用于：
当转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波，定子电枢绕组中的感应电势也为正弦波，忽略定子铁心饱和，配置磁路线性和电感参数不变，不计算铁心涡流与磁滞等损耗，采用转子磁场定向控制时将电机的转矩方程简化为：
其中τm为电机转矩，np为极对数，ψf为磁场系数，isq为q轴电流；
利用所述转矩方程确定电机转矩。
可选地，所述第二计算单元还用于：
完整动力学方程为：
式中，为机器人关节处的摩擦力矩，τext为施加在关节上的外作用力矩；
结合电机转子动力学得到电机转子的转矩平衡方程为：
其中，Jm为电机转子的惯量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比；
带入关节角度关系，得到：
确定作用在关节上的反应转矩τext：
代入电机转矩模型和关节转矩关系，得到：
代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于机器人本体末端六维广义外作用力Fext为：
利用所述外作用力Fext结合力位混合控制进行所述机器人本体的浮动控制。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
通过检测电机的位置、电流等信息，检测机器人本体与外作用力，在不降低机器人关节刚度和不增加系统成本的基础上，实现工业机器人浮动控制。
附图说明
图1是本发明实施例中一种机器人浮动控制系统的结构图；
图2是本发明实施例中一种机器人浮动控制方法的流程图；
图3是本发明实施例中一种机器人浮动控制方法的控制结构图；
图4是本发明实施例中一种机器人浮动控制装置的结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明实施例中提供一种机器人浮动控制系统，包括机器人控制器101、电机驱动器102及机器人本体103，所述机器人本体103包括多个用于实现机器人本体动作的电机，所述机器人控制器101和所述电机驱动器102之间采用控制总线连接，所述电机驱动器102与所述电机采用动力线连接；
所述机器人控制器101，用于机器人运动的运动学计算和轨迹规划，通过控制总线将运动指令发送给电机驱动器102；
所述电机驱动器102，用于控制电机运行，实现关节的运动控制，与所述机器人本体103之间通过编码器读取所述电机的位置信息和电流信息计算电机转矩，所述机器人控制器101计算外作用力，并按照力位混合控制结构进行控制，在力闭环和位置闭环之间通过选择矩阵进行切换，所述机器人控制器进行浮动控制时由矩阵选择切换到力控制模式进行控制，以完成浮动控制操作。
可选地，电机驱动器102可以有多个，分别连接不同的电机，实现不同关节的动作。
可选地，所述电机为伺服电机，对此不做限定。
通过检测电机的位置、电流等信息，并应用电机与机器人系统模型，检测机器人本体与环境作用力(外作用力)，在不降低机器人关节刚度和不增加系统成本的基础上，实现工业机器人浮动控制。
结合图2所示，本发明实施例中提供一种机器人浮动控制方法，包括：
S201、获取电机位置和电流信息；
S202、利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩；
S203、计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制；
S204、在力闭环和位置闭环之间选择所需矩阵进行切换；
S205、在进行浮动控制时将矩阵选择切换到力控制模式，以实现浮动控制操作。
结合图3所示，所述利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩，包括：
假设转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波，定子电枢绕组中的感应电势也为正弦波，忽略定子铁心饱和，认为磁路线性，电感参数不变，并且不计铁心涡流与磁滞等损耗，采用转子磁场定向控制时电机的转矩方程可被简化为：
其中τm为电机转矩，np为极对数，ψf为磁场系数，isq为q轴电流。
利用所述转矩方程确定电机转矩。
结合图3所示，可选地，所述计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制，包括：
完整动力学方程为以下形式：
式中，为机器人关节处的摩擦力矩，τext为施加在关节上的外作用力矩。
考虑电机转子动力学，可以得到转子的转矩平衡方程为：
式中，Jm为电机转子的惯量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比。带入关节角度关系，得到：
由此可得作用在关节上的反应转矩τext：
代入电机转矩模型和关节转矩关系，得到：
代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于模型的机器人末端六维广义外力Fext为：
得到外力Fext后采用力位混合控制进行机器人的浮动控制。
通过检测电机的位置、电流等信息，检测机器人本体与外作用力，在不降低机器人关节刚度和不增加系统成本的基础上，实现工业机器人浮动控制，另外，大大降低系统成本，且不降低机器人关节刚度，具有广泛的应用价值。
结合图4所示，本发明实施例中提供一种机器人浮动控制装置，包括：
获取单元401，用于获取电机位置和电流信息；
第一计算单元402，用于利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩；
第二计算单元403，用于计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制；
切换单元404，用于在力闭环和位置闭环之间选择所需矩阵进行切换；
控制单元405，用于在进行浮动控制室将矩阵选择切换到力控制模式，以实现浮动控制操作。
可选地，所述第一计算单元402还用于：
当转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波，定子电枢绕组中的感应电势也为正弦波，忽略定子铁心饱和，配置磁路线性和电感参数不变，不计算铁心涡流与磁滞等损耗，采用转子磁场定向控制时将电机的转矩方程简化为：
其中τm为电机转矩，np为极对数，ψf为磁场系数，isq为q轴电流；
利用所述转矩方程确定电机转矩。
可选地，所述第二计算单元还用于：
完整动力学方程为：
式中，为机器人关节处的摩擦力矩，τext为施加在关节上的外作用力矩；
结合电机转子动力学得到电机转子的转矩平衡方程为：
其中，Jm为电机转子的惯量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比；
带入关节角度关系，得到：
确定作用在关节上的反应转矩τext：
代入电机转矩模型和关节转矩关系，得到：
代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于机器人本体末端六维广义外作用力Fext为：
利用所述外作用力Fext结合力位混合控制进行所述机器人本体的浮动控制。
综上，本发明提供的一种机器人浮动控制方法、装置及系统，机器人本体包括多个用于实现机器人本体动作的电机，机器人控制器对机器人运动的运动学计算和轨迹规划，通过控制总线将运动指令发送给电机驱动器，电机驱动器控制电机运行，实现关节的运动控制，与机器人本体之间通过编码器读取所述电机的位置信息和电流信息计算电机转矩，机器人控制器计算外作用力，并按照力位混合控制结构进行控制，在力闭环和位置闭环之间通过选择矩阵进行切换，机器人控制器进行浮动控制时由矩阵选择切换到力控制模式进行控制，通过检测电机的位置、电流等信息，检测机器人本体与外作用力，在不降低机器人关节刚度和不增加系统成本的基础上，实现工业机器人浮动控制。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种机器人浮动控制方法、装置及系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种机器人浮动控制系统，其特征在于，包括机器人控制器、电机驱动器及机器人本体，所述机器人本体包括多个用于实现机器人本体动作的电机，所述机器人控制器和所述电机驱动器之间采用控制总线连接，所述电机驱动器与所述电机采用动力线连接；
所述机器人控制器，用于机器人运动的运动学计算和轨迹规划，通过控制总线将运动指令发送给电机驱动器；
所述电机驱动器，用于控制电机运行，实现关节的运动控制，与所述机器人本体之间通过编码器读取所述电机的位置信息和电流信息计算电机转矩，所述机器人控制器计算外作用力，并按照力位混合控制结构进行控制，在力闭环和位置闭环之间通过选择矩阵进行切换，所述机器人控制器进行浮动控制时由矩阵选择切换到力控制模式进行控制，以完成浮动控制操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机为伺服电机。
3.一种机器人浮动控制方法，其特征在于，包括：
获取电机位置和电流信息；
利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩；
计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制；
在力闭环和位置闭环之间选择所需矩阵进行切换；
在进行浮动控制时将矩阵选择切换到力控制模式，以实现浮动控制操作。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩，包括：
当转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波，定子电枢绕组中的感应电势也为正弦波，忽略定子铁心饱和，配置磁路线性和电感参数不变，不计算铁心涡流与磁滞等损耗，采用转子磁场定向控制时将电机的转矩方程简化为：
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其中τm为电机转矩，np为极对数，Ψf为磁场系数，isq为q轴电流；
利用所述转矩方程确定电机转矩。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制，包括：
完整动力学方程为：
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式中，为机器人关节处的摩擦力矩，τext为施加在关节上的外作用力矩；
结合电机转子动力学得到电机转子的转矩平衡方程为：
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其中，Jm为电机转子的惯量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比；
带入关节角度关系，得到：
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<mi>q</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
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</mrow>
代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于机器人本体末端六维广义外作用力Fext为：
<mrow>
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<mi>F</mi>
<mrow>
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<mi>t</mi>
</mrow>
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</mrow>
利用所述外作用力Fext结合力位混合控制进行所述机器人本体的浮动控制。
6.一种机器人浮动控制装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取电机位置和电流信息；
第一计算单元，用于利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩；
第二计算单元，用于计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制；
切换单元，用于在力闭环和位置闭环之间选择所需矩阵进行切换；
控制单元，用于在进行浮动控制室将矩阵选择切换到力控制模式，以实现浮动控制操作。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元还用于：
当转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波，定子电枢绕组中的感应电势也为正弦波，忽略定子铁心饱和，配置磁路线性和电感参数不变，不计算铁心涡流与磁滞等损耗，采用转子磁场定向控制时将电机的转矩方程简化为：
<mrow>
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<mo>=</mo>
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<mn>3</mn>
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</mrow>
其中τm为电机转矩，np为极对数，Ψf为磁场系数，isq为q轴电流；
利用所述转矩方程确定电机转矩。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元还用于：
完整动力学方程为：
<mrow>
<mi>M</mi>
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</mrow>
式中，为机器人关节处的摩擦力矩，τext为施加在关节上的外作用力矩；
结合电机转子动力学得到电机转子的转矩平衡方程为：
<mrow>
<msub>
<mi>J</mi>
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其中，Jm为电机转子的惯量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比；
带入关节角度关系，得到：
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代入电机转矩模型和关节转矩关系，得到：
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代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于机器人本体末端六维广义外作用力Fext为：
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</mrow>
利用所述外作用力Fext结合力位混合控制进行所述机器人本体的浮动控制。
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