CN109202884A - 一种柔性多关节机器人振动抑制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体公开一种柔性多关节机器人振动抑制方法，包括以下步骤：实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值；根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值；根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。本发明具有抑制机器人本体的柔性振动，提高机器人自身的轨迹跟踪精度的有益效果。

Description

一种柔性多关节机器人振动抑制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地说，涉及一种柔性多关节机器人振动抑制方法及系统。

背景技术

近年来，轻质、重载、高速及高负载自重比的智能机器人已成为时代的需求。而由于轻量化机构设计理念所产生的柔性多关节在提供高效、灵活的控制机构的同时，在运动控制中也需要考虑关节、连杆的柔性变形，对于柔性机构来说，其末端姿态是关节转动与柔性形变的共同作用的结果。由于机器人柔性而导致的本体振动，会极大地缩短机器人关键部件的寿命，降低轨迹跟踪精度。现有的振动抑制技术均以优化机器人运动轨迹的平顺性为核心，通过对关节空间位置及其导数进行柔顺性规划，这种手段虽然在低速运动环境下可以有效的降低机器人本体的振动，但在高速运动过程中由于柔性机器人不具有刚体的特性而导致振动会被加剧，除非降低运动速度，否则无法单纯通过优化规划过程来解决振动问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中柔性多关节机器人的本体由于柔性而导致振动的缺陷，提供一种柔性多关节机器人振动抑制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种柔性多关节机器人振动抑制方法，包括以下步骤：

实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；

根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值；

根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值；

根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。

一些实施例中，采集柔性机器人各个关节的运动数据的步骤具体为：通过柔性机器人的总控系统进行各个关节运动数据的采集。

一些实施例中，根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩激励，具体步骤为：

令n、nr、nf(n＝nr+nf)分别为机器人的总自由度数、刚性自由度数和柔性自由度数，则柔性机器人的动力学方程为：

其中，M为n阶广义质量矩阵、D为n阶阻尼矩阵、K为n阶刚度矩阵；矩阵Q为n维列向量，是重力、哥氏力与离心力的合力；n行r列的矩阵τ用来表示关节的控制力矩；矩阵B为nf行nr列的矩阵用于表征机器人柔性关节连杆根部的弯曲斜率；

通过对矩阵M、D、K进行分块处理可将动力学方程分解为：

计算关节转角的期望加速度的动力学方程为：

柔性机器人运动过程中会发生振动，其中刚性运动部分的不同将产生不同的柔性变形激励力，因此可通过自运动的优化得到理想的激励力,达到抑制振动的目的。

定义柔性变形激励力：

通过机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进一步优化机器人的动力学方程：

通过上述方程求解关节力矩τ。

一些实施例中，进行关节驱动力矩优化，得到最优化的关节力矩值的具体步骤为：

机器人的最小关节驱动力矩可由其上限和下限来推算，

令τ⁺∈R^nr和τ^-∈R^nr分别为机器人关节驱动力矩的上限和下限，则力矩允许的中值为：

则最优力矩为

通过求解上述动力学方程组可以得到最优化得关节力矩激励，

再另一方面，本发明提供一种柔性多关节机器人振动抑制控制系统，包括：

数据采集模块，用于实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；

力矩计算及优化模块，用于根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算并根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵优化得到所需的关节力矩值；

关节力矩控制模块，用于根据力矩计算及优化模块得到的关节力矩值控制各个关节运动，从而对机器人柔性变形振动抑制。

一些实施例中，所述数据采集模块包括电流闭环模块及位置闭环模块。

更加地，本发明还提供一种柔性多关节机器人，包括上述的柔性多关节机器人振动抑制系统。

本发明的有益效果在于：

(1)、不需要依赖于外部传感器，总控系统对于机器人受力分析完全依赖于关节自身的位置、速度、加速度以及加加速度这些表征关节运动特征的数据，通过动力学方程可以解算出每一关节所受的力，与每一时刻关节驱动电机需要输出的力矩大小，无需增加传感器，成本较低；

(2)、可抑制柔性多关节机器人本体的柔性振动，提高机器人自身的轨迹跟踪精度，避免由于轻质化带来的负面影响；

(3)、最优化关节力矩，可以避免因关节控制力矩过大而导致的关节寿命缩短、本体损坏这些问题，同时可以避免机器人电机控制流程崩溃而误伤使用者的情况。

附图说明

图1为本发明一个实施例的柔性机器人关节坐标系框图。

图2为根据本发明柔性关节机器人运动抑制方法的流程图。

图3为根据本发明柔性关节机器人运动抑制控制系统一个实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提出一种柔性多关节机器人振动抑制方法，采用力矩振动抑制及关节力矩优化的方式从动力学上对机器人进行重新建模，通过抵偿机器人柔性变形、调节机器人运动姿态来解决柔性多关节机器人的本体振动问题。

首先参考图1和图2，图1为本发明柔性机器人关节坐标系示意图。每个关节处建立XYZ坐标。下面结合图1和图2，对本发明柔性多关节机器人振动抑制方法进行详细描述。

本发明柔性多关节机器人振动抑制方法包括：实时采集柔性机器人各个关节的运动数据。通过柔性机器人总控系统采集各个关节的运动数据。根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值。根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值。根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。

其中，根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值。具体步骤为：

令n、nr、nf(n＝nr+nf)分别为机器人的总自由度数、刚性自由度数和柔性自由度数，则柔性机器人的动力学方程可写为：

上述动力学方程中，M、D、K为n阶矩阵，其各自的含义分别为广义质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵；矩阵Q为n维列向量，是重力、哥氏力与离心力的合力；n行r列的矩阵τ用来表示关节的控制力矩；矩阵B为nf行nr列的矩阵用于表征机器人柔性关节连杆根部的弯曲斜率。

动力学方程中包含了柔性多关节机器人的广义的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，并结合机器人本体的重力、哥氏力和离心力，建立起关节扭矩的等量关系。通过对矩阵M、D、K进行分块处理可将动力学方程分解为

通过机器人的关节电机转角的期望轨迹，即可推算其柔性变形的响应，转换可而得到各个关节的驱动力矩，即可完成各个关节控制电机所需力矩与期望轨迹的一一映射。根据机器人末端的期望轨迹，通过求解柔性机器人的动力学方程的逆动力学,计算得到所需关节力矩，可以实现对于机器人各关节控制的解耦及线性化，这就是计算力矩控制，需要同时考虑机器人的关节刚体运动及柔性变形运动。

可计算关节转角的期望加速度的动力学方程为：

柔性机器人运动过程中会发生振动，其中刚性运动部分的不同将产生不同的柔性变形激励力，因此可通过自运动的优化得到理想的激励力,达到抑制振动的目的。

定义柔性变形激励力：

当存在外界激励时，由于激励所引起的强迫振动能够使系统不断地从外界获得能量来补偿阻尼所消耗的能量，系统将持续存在一定幅度的振动。当外界激励力消除后，系统的振动将由强迫振动变为自由振动，系统振动的响应将主要与系统的阻尼和刚度有关，增大阻尼是抑制振动的有效途径。由此可见，消除外界激励力、增大阻尼是使系统振动得到抑制的重要手段。

通过机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，可进一步优化机器人的动力学方程

根据上述的动力学公式，求解得到关节驱动力矩。

得到关节驱动力矩后，完成对于机器人柔性变形振动抑制，虽然可以提高机器人的轨迹精度，但仍然不能保证机器人的安全运行，一旦关节的控制力矩超越极限，则会导致本体的损坏。采用关节驱动力矩优化技术可以不但可以减小机器人末端的振动，而且可以使得机器人更加安全的运行。因此，本发明还根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值。

进行关节力矩优化的具体过程为：机器人的最小关节驱动力矩可由其上限和下限来推算，令τ⁺∈R^nr和τ^-∈R^nr分别为机器人关节驱动力矩的上限和下限，则力矩允许的中值为

则最优力矩为：

通过求解上述动力学方程组可以得到最优化得关节力矩激励。

采用计算力矩与关节优化结合的方式，通过计算力矩可以获取机器人运动中每一时刻及规划器所生成轨迹中各位置的理论力矩，通过关节力矩优化的手段找到各个关节力矩最优时的轨迹，可同时保证最合理的的关节位置及最安全的驱动力矩，在抑制本体的柔性振动的同时可确保机器人本体的安全运行。

根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。

此外，本发明还公开一种柔性多关节机器人振动抑制控制系统。包括：

数据采集模块，用于实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；

力矩计算及优化模块，用于根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算并根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵优化得到控制所需的关节力矩；

关节力矩控制模块，用于根据力矩计算及优化模块得到的关节力矩值控制各个关节运动，从而对机器人柔性变形振动抑制。

请参阅图3，为本发明柔性关节机器人运动抑制控制系统一个实施例的示意图。该实施例中，柔性多关节机器人运动抑制控制系统包括位置闭环模块2、电流闭环模块1、力矩计算及优化模块3、伺服电机模块4、传动机构5、柔性机构6及状态观测器7。

本实施例的控制系统的具体实施步骤为：通过电流闭环模块1与位置闭环模块2将机器人的当前的位置信息输出到力矩计算及优化模块3；力矩计算及优化模块3通过动力学方程可计算出机器人各个关节所需要的瞬时力矩；单元力矩计算及优化模块3通过总线将瞬时的力矩指令下发给控制电机(驱动器)，由力矩计算及优化模块4带动传动机构5，传动机构5带动柔性机构6，实现机器人的运动。状态观测器7监关节位置反馈以及关节力矩反馈。

更加地，本发明还公开一种柔性多关节机器人包括上述柔性多关节机器人振动抑制系统。

在一个实施例中，7DOF柔性多关节机器人的本体设计上通常不可避免由于轻质化带来的机构柔性问题，而凭借7DOF机器人的冗余度，机器人末端的同一位姿可以对应关节空间的多个解，通过计算力矩与关节力矩优化的手段，解算最优的关节轨迹。需要对柔性机器人本体的柔性变形运动进行建模，以标度机器人柔性变形对于本体的动力学影响。

本发明的柔性多关节机器人振动抑制方法及系统通过计算力矩与关节力矩优化的解算单元可以实时的根据机器人的关节空间位置及其多阶微分对于机器人的控制轨迹进行最优化计算，在输入端与轨迹跟踪状态及关节力矩形成双重闭环，复合作用。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种柔性多关节机器人振动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；

根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到控制关节所需的力矩；

根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值；

根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。

2.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人振动抑制方法，其特征在于，采集柔性机器人各个关节的运动数据的步骤具体为：通过柔性机器人的总控系统进行各个关节运动数据的采集。

3.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人振动抑制方法，其特征在于，根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩激励，具体步骤为：

令n、nr、nf(n＝nr+nf)分别为机器人的总自由度数、刚性自由度数和柔性自由度数，则柔性机器人的动力学方程为：

其中，M为n阶广义质量矩阵、D为n阶阻尼矩阵、K为n阶刚度矩阵；矩阵Q为n维列向量，是包括重力、哥氏力与离心力的合力；n行r列的矩阵τ用来表示关节的控制力矩；矩阵B为nf行nr列的矩阵用于表征机器人柔性关节连杆根部的弯曲斜率；

通过对矩阵M、D、K进行分块处理可将动力学方程分解为：

计算关节转角的期望加速度的动力学方程为：

定义柔性变形激励力：

其中f_e为柔性变形激励力，M_fr为质量矩阵，为刚性部件的雅克比矩阵的最小二乘广义逆，表示操作空间末端期望轨迹，为关节角速度，Z_ε表示冗余机器人的自运动可行解，Q_f表示重力、哥氏力和离心力的合力在柔性部分的分量；

通过机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进一步优化机器人的动力学方程：

通过上述方程求解关节力矩τ。

4.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人振动抑制方法，其特征在于，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值的具体步骤为：

机器人的最小关节驱动力矩可由其上限和下限来推算，

令τ⁺∈R^nr和τ^-∈R^nr分别为机器人关节驱动力矩的上限和下限，则力矩允许的中值为：

则最优力矩为

其中τ为控制关节所需力矩，λ为拉格朗日乘子，Z为冗余机器人的自运动，J_r、J_f为雅克比矩阵的两个分量分别代表刚性和柔性部分，q表示柔性变形的广义坐标阵列；

通过复模态变换求解上述动力学方程组可以最小化柔性振动的激励力，即可达到振动抑制的效果；

D＝A^-1J_r ^T(J_rA^-1J_r ^T)^-1

其中，V_RHL为左模态矩阵的实数部分，M_rr、M_fr、M_rf和M_ff为广义质量矩阵M的右下分块，f_e为柔性变形运动的激励力，A、B、D为便于计算的中间变量，为机器人末端期望轨迹。

5.一种柔性多关节机器人振动抑制控制系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；

力矩计算及优化模块，用于根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算并根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵优化得到控制所需的关节力矩；

关节力矩控制模块，用于根据力矩计算及优化模块得到的关节力矩值控制各个关节运动，从而对机器人柔性变形振动抑制。

6.根据权利要求5所述的柔性多关节机器人振动抑制系统，其特征在于，所述数据采集模块包括电流闭环模块及位置闭环模块。

7.一种柔性多关节机器人，其特征在于，包括如权利要求5-6任一项所述的柔性多关节机器人振动抑制系统。