CN108724195B - 一种针对机器人的耦合前馈控制方法 - Google Patents

一种针对机器人的耦合前馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对机器人的耦合前馈控制方法，包括以下步骤：步骤一、机器人各关节伺服驱动器与一个PID反馈控制器和一个速度、加速度前馈控制器相连；步骤二、对除被控关节电机以外的其他关节电机期望转角作一阶、二阶微分并将一阶微分乘以对应速度前馈增益、二阶微分乘以对应加速度前馈增益，求和得到耦合前馈控制指令；步骤三、将步骤一得到的反馈控制指令、前馈控制指令与步骤二得到的耦合前馈控制指令相加，输出给被控关节电机的伺服驱动器。采用本方法可无需复杂的动力学运算便实时补偿关节间的耦合扰动，进而提高机器人在高速度、高加速度应用场合的运动控制精度。

Description

一种针对机器人的耦合前馈控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术和自动化领域，尤其涉及一种机器人耦合前馈控制方法。
背景技术
工业机器人位置环控制器普遍采用PID控制器。这种控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高，在工业控制过程中占有主导地位。考虑到反馈控制存在一定的滞后性，在PID控制器的基础上添加速度、加速度前馈控制器实现复合控制，可显著提高伺服系统的跟随精度。通常在低速度、低加速度的情况下，采用上述基于复合控制策略的分散控制结构，可以取得较为理想的控制效果。然而，机器人属于多关节耦合系统，在高速度、高加速度的应用场合，关节间的耦合作用制约了控制品质的进一步提高。因此，亟需一种适用于工业机器人的耦合前馈控制方法，将其他关节速度、加速度引起的扰动通过前馈的形式补偿，以满足机器人高速、高精度的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可有效提高机器人末端执行器的运动控制精度的耦合前馈控制方法。
本发明的一种针对机器人的耦合前馈控制方法，包括以下步骤：
(a)将机器人各关节电机分别与一个伺服驱动器相连并且将每一个伺服驱动器分别与各关节电机的前馈控制器和反馈控制器以及耦合前馈控制器相连，所述的反馈控制器采用PID控制器，前馈控制器采用速度、加速度前馈控制器；
所述的前馈控制器根据与被控关节相连的电机期望位置值计算得到每个电机的前馈控制指令；
所述的反馈控制器根据与被控关节相连的电机输出的电机的实际位置值得到每个电机的反馈控制指令；
所述的耦合前馈控制器读取与被控关节相连以外的其他关节相连的电机期望位置θdi，i＝1,2,…,n且i≠j，并根据下式计算得到耦合前馈控制指令；
针对共有n个驱动关节的机器人，当被控关节为关节j时，对关节i电机期望转角分别作一阶、二阶微分并将一阶微分乘以对应速度前馈增益、二阶微分乘以对应加速度前馈增益，二者求和得到关节i对关节j的耦合前馈补偿指令，则其他n-1个关节对关节j的耦合前馈补偿为：
Figure GDA0003197478480000021
式中，i≠j i≤n,aij与bij分别表示关节i作用于关节j的加速度前馈增益与速度前馈增益，
Figure GDA0003197478480000022
与
Figure GDA0003197478480000023
分别表示关节i电机的期望角加速度与期望角速度；
(b)将所述的前馈控制指令、反馈控制指令以及耦合前馈控制指令求和通过与被控关节相连的伺服驱动器输出给电机。
本发明的优点在于，无需复杂的动力学运算便可实时补偿关节间的耦合扰动，算法简单，易于实现，可进一步提高各关节高速度、高加速度运行时的运动控制精度。
附图说明
图1为本发明的针对机器人的耦合前馈控制方法结构框图；
图2以并联机构的一个关节为例的耦合前馈控制结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实例仅用以解释本发明，但并不限定于本例。
本发明的一种针对机器人的耦合前馈控制方法(如图1所示)，包括以下步骤：
(a)将机器人各关节电机分别与一个伺服驱动器相连并且将每一个伺服驱动器分别与各关节电机的前馈控制器和反馈控制器以及耦合前馈控制器相连，所述的反馈控制器采用PID控制器，前馈控制器采用速度、加速度前馈控制器；
所述的前馈控制器根据与被控关节相连的电机期望位置值θdj计算得到每个电机的前馈控制指令；
所述的反馈控制器根据与被控关节相连的电机输出的电机的实际位置值θaj得到每个电机的反馈控制指令；
所述的耦合前馈控制器读取与被控关节相连以外的其他关节相连的电机期望位置θdi(i＝1,2,…,n且i≠j)并根据下式计算得到耦合前馈控制指令；
针对共有n个驱动关节的机器人，当被控关节为关节j时，对关节i电机期望转角分别作一阶、二阶微分并将一阶微分乘以对应速度前馈增益、二阶微分乘以对应加速度前馈增益，二者求和得到关节i对关节j的耦合前馈补偿指令，则其他n-1个关节对关节j的耦合前馈补偿为：
Figure GDA0003197478480000031
式中，i≠j，i≤n，aij与bij分别表示关节i作用于关节j的加速度前馈增益与速度前馈增益，可以通过工程试凑法得到。
Figure GDA0003197478480000032
与
Figure GDA0003197478480000033
分别表示关节i电机的期望角加速度与期望角速度。
电机期望角速度和角加速度值可以采用现有的方法计算得到，作为本发明的一种方法：根据各关节电机插补运算后的插补点队列建立缓存队列，采用中心差分法计算各关节电机在每个插补点的期望角速度和角加速度，并存储于全局变量寄存器中以供高速读写。
(b)将所述的前馈控制指令、反馈控制指令以及耦合前馈控制指令求和通过与被控关节相连的伺服驱动器输出给电机。
以专利CN104985596A所公开的一种含转动支架的五自由度混联机器人中的并联机构为例，对本发明的具体实施方式说明如下。
针对本例中共有3个驱动关节的并联机构，关节控制电机分别与一个伺服驱动器相连并且将每一个伺服驱动器分别与各关节控制电机的前馈控制器和反馈控制器以及耦合前馈控制器相连，所述的反馈控制器采用PID控制器，前馈控制器采用速度、加速度前馈控制器；
当被控关节为关节1时，对关节2、关节3的电机的期望转角分别作一阶、二阶微分并乘以对应速度前馈增益和加速度前馈增益，二者求和得到关节2、3对关节1的耦合前馈补偿指令，则关节2、3对关节1的耦合前馈补偿为(如图2所示)：
Figure GDA0003197478480000041
式中，a21与b21分别表示关节2作用于关节1的加速度前馈增益与速度前馈增益，
Figure GDA0003197478480000042
与
Figure GDA0003197478480000043
分别表示关节2电机的期望角加速度与期望角速度。a31与b31分别表示关节3作用于关节1的加速度前馈增益与速度前馈增益，
Figure GDA0003197478480000044
与
Figure GDA0003197478480000045
分别表示关节3电机的期望角加速度与期望角速度。
将所述的前馈控制指令、反馈控制指令以及耦合前馈控制指令求和通过与被控关节相连的伺服驱动器输出给电机。

Claims (2)

1.一种针对机器人的耦合前馈控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)将机器人各关节电机分别与一个伺服驱动器相连并且将每一个伺服驱动器分别与各关节电机的前馈控制器和反馈控制器以及耦合前馈控制器相连，所述的反馈控制器采用PID控制器，前馈控制器采用速度、加速度前馈控制器；
所述的前馈控制器根据与被控关节相连的电机期望位置值计算得到每个电机的前馈控制指令；
所述的反馈控制器根据与被控关节相连的电机输出的电机的实际位置值得到每个电机的反馈控制指令；
所述的耦合前馈控制器读取与被控关节相连以外的其他关节相连的电机期望位置θdi，i＝1,2,…,n且i≠j，并根据下式计算得到耦合前馈控制指令；
针对共有n个驱动关节的机器人，当被控关节为关节j时，对关节i电机期望转角分别作一阶、二阶微分并将一阶微分乘以对应速度前馈增益、二阶微分乘以对应加速度前馈增益，二者求和得到关节i对关节j的耦合前馈补偿指令，则其他n-1个关节对关节j的耦合前馈补偿为：
Figure FDA0003197478470000011
式中，i≠j i≤n,aij与bij分别表示关节i作用于关节j的加速度前馈增益与速度前馈增益，
Figure FDA0003197478470000012
与
Figure FDA0003197478470000013
分别表示关节i电机的期望角加速度与期望角速度；
(b)将所述的前馈控制指令、反馈控制指令以及耦合前馈控制指令求和通过与被控关节相连的伺服驱动器输出给电机。
2.根据权利要求1所述的针对机器人的耦合前馈控制方法，其特征在于：电机期望角速度和角加速度值的计算方法为：根据各关节电机插补运算后的插补点队列建立缓存队列，采用中心差分法计算各关节电机在每个插补点的期望角速度和角加速度，并存储于全局变量寄存器中以供高速读写。
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