CN109352661A - 一种机器人关节的控制方法、伺服驱动装置和可存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及机器人控制领域，公开了一种机器人关节的控制方法、伺服驱动装置和可存储介质。本发明中机器人关节的控制方法，应用于伺服驱动装置，包括：以柔性模式控制机器人关节，具体包括：位置环对位置给定和位置反馈的差值进行比例调节后输出；将位置环的输出作为速度给定，速度环对速度给定和速度反馈的差值进行比例调节后输出；将速度环的输出叠加电流前馈增量作为电流给定，电流环对电流给定和电流反馈的差值进行比例和积分调节后输出，作为机器人关节的电机的控制信号；其中，电流前馈增量用于抵消机器人关节的自重和摩擦力，使得提供对机器人关节柔性控制的方法。

Description

一种机器人关节的控制方法、伺服驱动装置和可存储介质

技术领域

本发明实施例涉及机器人控制领域，特别涉及机器人关节的控制方法和伺服驱动装置。

背景技术

关节机器人，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业。

本申请的发明人发现：现有关节机器人一般按照示教器试教的目标路径进行运动，但是当工件所处位置、外形尺寸等因素与理论位置存在偏差时，在机器人夹持、转移或装配工件的过程中可能发生工件与设备相互干涉，如果机器人按照原定路径强行运动，可能发生工件与设备的硬碰撞进而造成损坏。此外，在例如机器人同步抓取运动中工件的工况下，存在由于液压引起的工件移动速度不稳定的情况，如果机器人按照试教路径强行抓取，可能与工件发生刚性碰撞造成工件或者机器人损坏。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种机器人关节的控制方法、伺服驱动装置和可存储介质，使得提供对机器人关节柔性控制的方法。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种机器人关节的控制方法，应用于伺服驱动装置，包括：以柔性模式控制机器人关节，具体包括：位置环对位置给定和位置反馈的差值进行比例调节后输出；将所述位置环的输出作为速度给定，速度环对所述速度给定和速度反馈的差值进行比例调节后输出；将所述速度环的输出叠加电流前馈增量作为电流给定，电流环对所述电流给定和电流反馈的差值进行比例和积分调节后输出，作为所述机器人关节的电机的控制信号；其中，所述电流前馈增量用于抵消所述机器人关节的自重和摩擦力。

本发明的实施方式还提供了一种伺服驱动装置，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的机器人关节的控制方法。

本发明的实施方式还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的机器人关节的控制方法。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本方案中的伺服驱动装置在速度环将位置环输出作为速度给定，之后对速度给定和速度反馈的差值进行比例增益调节，发明人创造性地摒除了传统伺服控制的惯性思维，去除了传统驱动中的速度环接收的速度前馈和速度环中的积分环节，还增加了电流环输入中的前馈增量，使得在机器人关节可以抵消自重和摩擦力的前提下，实现柔性控制，既允许了位置控制时的误差，又允许了速度控制时的误差，从而增加关节的柔韧性，使关节运动时呈现软浮动状态，可以在发生工件与设备互相干涉时，避免机器人按示教路径强行运动造成碰撞损坏。另外，由于改进时无需硬件上的改进，所以可以直接兼容现有的关节机器人，推广前景好。

作为进一步改进，还包括：以刚性模式控制机器人关节，具体包括：位置环对所述位置给定和所述位置反馈的差值进行比例调节后输出；将所述位置环的输出叠加由所述位置给定折算出的速度前馈，作为速度给定，速度环对所述速度给定和所述速度反馈的差值进行比例和积分调节后输出；将所述速度环的输出作为电流给定，电流环对所述电流给定和所述电流反馈的差值进行比例和积分调节后输出，作为所述机器人关节的电机的控制信号。本实施方式中实现驱动装置可以应用两种模式的控制方式，除上述软浮动模式外，还可以兼容传统的刚性控制。

作为进一步改进，在所述柔性模式和所述刚性模式切换时，在预设的恢复时间内逐步调整所述位置环和所述速度环的增益的参数。本实施方式中在两种模式切换时给出过渡时间，避免参数突变产生振动。

作为进一步改进，第一恢复时间大于或等于第二恢复时间；其中，所述第一恢复时间为由所述柔性模式切换至刚性模式时的恢复时间，所述第二恢复时间为由所述刚性模式切换至柔性模式时的恢复时间。本实施方式明确从柔性模式切换至刚性模式时的恢复时间更长，进一步避免柔性模式切换至刚性模式时，由于位置误差造成的机械结构碰撞。

作为进一步改进，所述电流前馈增量为所述机器人关节处于所述刚性模式时，所述速度环的积分部分的输出。

作为进一步改进，所述前馈增量根据以下公式计算出：其中，T_i为速度环积分时间常数，V_err(j)为速度误差。

作为进一步改进，所述以柔性模式控制机器人关节还包括：关闭位置跟踪误差检测功能和速度跟踪误差检测功能。本实施方式关闭位置跟踪和速度跟踪的误差检测功能，使得柔性模式控制时，避免出现反复告警。

作为进一步改进，所述位置环对位置给定和位置反馈的差值进行比例调节后输出中，所述比例增益的参数可以根据预设的比例增益和预设的柔韧度计算出；其中，所述柔韧度为表征所述机器人关节的柔性程度的参数。本实施方式明确了比例增益的参数计算方式。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式中的机器人关节的控制方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式中的机器人关节的控制方法的控制框图；

图3是根据本发明第二实施方式中的机器人关节的控制方法流程图；

图4是根据本发明第二实施方式中的机器人关节的控制方法中以刚性模式控制时的流程图；

图5是根据本发明第二实施方式中的机器人关节的控制方法的控制框图；

图6是根据本发明第三实施方式中的机器人关节的控制方法流程图；

图7是根据本发明第四实施方式中伺服驱动装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明的第一实施方式涉及一种机器人关节的控制方法。

本实施方式的控制方法可以应用于一种伺服驱动装置，伺服驱动装置和机器人关节的电机连接，从而控制机器人关节进行运动。本实施方式中的控制方法具体实现机器人关节的柔性模式，柔性模式可以根据受到的阻力使机器人所有关节或者部分关节具有柔性，让机器人受到外力作用后离开示教的目标位置，进而类似人类的手臂一样，顺应力的方向实现期望的动作。由于在受到外力作用后会离开示教的目标位置，所以在实际应用中，如遇到与其他工件的接触，会顺应接触时力的大小和方向运动，改变原先的运动轨迹，从而避免刚性碰撞，减少工件或者机器人损坏。

本实施方式中机器人关节的控制方法的流程如图1所示，具体如下：

步骤101，位置环对位置给定和位置反馈的差值进行比例调节后输出。

具体的说，位置环的比例调节中设有位置环增益K_{p_pos}，K_{p_pos}和传统刚性控制时的位置环增益K_pp呈比例关系，比例的大小和机器人关节所呈现的柔性程度C_f有关，转换时可以用如下公式：

K_{p_pos}＝K_pp·(1-C_f)；

其中，C_f的范围可以是0-100％，100％为最大柔韧度，即最柔软的状态，0％为最小柔韧度，即类似刚性控制时的状态。

步骤102，将位置环的输出作为速度给定，速度环对速度给定和速度反馈的差值进行比例调节后输出。

具体的说，速度环的比例调节中设有速度环增益K_{p_vel}，K_{p_vel}和传统刚性控制时的速度环增益K_ps呈比例关系，比例的大小同样和机器人关节所呈现的柔性程度C_f有关，转换时可以用如下公式：

K_{p_vel}＝K_ps·(1-C_f)。

需要继续说明的是，传统刚性控制时，速度环除了进行比例调节，还会进行积分调节，速度环中的积分环节在控制系统中具有消除速度控制稳态误差的效果，如果速度积分环节存在，则会产生消除速度跟踪误差的效果，表现为持续增大输出电流已抵消速度跟踪误差，无法达到本实施方式中需要的柔性效果。

再继续说明，传统刚性控制时，速度给定除了位置环的输出，还包括根据位置给定折算出的速度前馈。该前馈环节在伺服控制系统中用于提高位置跟踪的快速性(响应性)，表现在机器人关节上，就是令机器人关节尽快的到达指定位置；此外，速度前馈在整体控制中具有积分效果，用于消除稳态误差，如果速度前馈环节存在，则会产生消除位置跟踪误差的效果，无法达到需要的柔性效果(存在较大位置、速度跟踪误差)。因此，为了实现机械臂的柔性，允许位置控制存在较大跟踪误差，即去掉该速度前馈。

步骤103，将速度环的输出叠加电流前馈增量作为电流给定。

具体的说，电流前馈增量用于抵消机器人关节的自重和摩擦力。更具体的说，在柔性控制的过程中，机器人的关节不能软到无法支撑自己的“身体”，类似于机器人的各关节仅有保持当前不跌落的力，电流前馈增量就是来自于刚性控制时速度环中积分部分的输出，这部分就代表了上述自重和摩擦力(包含静摩擦力和动摩擦力)。

继续说明，电流前馈增量Iq_Pre的获得来自于传统刚性控制时，速度环中积分部分的输出U_i，在以柔性模式控制时，这个分量被保存下来并且用于柔性模式下的转矩前馈，具体计算方法如下：

连续域：将其离散化；

离散域：

其中：T_i为速度环积分时间常数，V_err(t)和V_err(j)为连续域和离散域下速度误差，T为速度环采样周期，t_sf为启用柔性模式的时刻。

步骤104，电流环对电流给定和电流反馈的差值进行比例和积分调节后输出。

具体的说，本步骤的输出作为机器人关节的电机的控制信号。

需要继续说明的是，上述流程图可以通过如图2所示的控制框图进行表达。

值得一提的是，本实施方式也可以增加使能确定的步骤，在使能柔性模式时，以柔性模式控制机器人关节，开始执行上述步骤101至104，在没有使能柔性模式时，等待指令，或者以刚性模式控制机器人关节。

另外，因为柔性模式下，关节伺服的实际位置或者速度会偏离给定值较多，因此可以关闭与位置跟踪和速度跟踪的误差检测相关的故障检测和报警功能。

可见，本实施方式中的伺服驱动装置在速度环将位置环输出作为速度给定，之后对速度给定和速度反馈的差值进行比例增益调节，发明人创造性地摒除了传统伺服控制的惯性思维，去除了传统驱动中的速度环接收的速度前馈和速度环中的积分环节，还增加了电流环输入中的前馈增量，使得在机器人关节可以抵消自重和摩擦力的前提下，实现柔性控制，既允许了位置控制时的误差，又允许了速度控制时的误差，从而增加关节的柔韧性，使关节运动时呈现软浮动状态，可以在发生工件与设备互相干涉时，避免机器人按示教路径强行运动造成碰撞损坏。另外，由于改进时无需硬件上的改进，所以可以直接兼容现有的伺服硬件和关节机器人，无需增加额外的力传感器、摄像头等检测设备，推广前景好。

本发明的第二实施方式涉及一种机器人关节的控制方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，以柔性模式控制机器人关节，而在本发明第二实施方式中，以刚性模式控制机器人关节，体现了本发明实施方式的良好兼容性。

本实施方式中机器人关节的控制方法的流程图如图3所示，具体如下：

步骤301，判断是否使能软浮动功能；若是，则执行步骤302；若否，则执行步骤303。

具体的说，具体可以通过判断是否接收到相应的使能指令，若接收到，则执行步骤302，若未接收到，则执行步骤303。

更具体的说，软浮动功能可以是预设的功能，在该功能使能后，以柔性模式控制机器人关节，在该功能未使能时，以刚性模式控制机器人关节。

步骤302，以柔性模式控制机器人关节。

具体的说，本步骤的控制过程如第一实施方式中的步骤101至步骤104所说，在此不再赘述。

步骤303，以刚性模式控制机器人关节。

具体的说，本步骤中的控制过程的流程图如图4所示，具体如下：

步骤401，位置环对位置给定和位置反馈的差值进行比例调节后输出。

步骤402，将位置环的输出叠加由位置给定折算出的速度前馈，作为速度给定。

步骤403，速度环对速度给定和速度反馈的差值进行比例和积分调节后输出。

步骤404，将速度环的输出作为电流给定，电流环对电流给定和电流反馈的差值进行比例和积分调节后输出。

具体的说，本步骤的输出即可作为机器人关节的电机的控制信号。

上述步骤401至步骤404还可以以如图5所示控制框图进行表达。

可见，本实施方式在软浮动功能使能后，以柔性模式控制机器人关节，在没有使能软浮动功能时，则以刚性模式控制机器人关节，使得机器人关节的模式可选，在兼容现有控制方式时，适用于更多的应用场景。

本发明第三实施方式涉及一种机器人关节的控制方法。本实施方式中以柔性模式控制和以刚性模式控制可以根据需要切换，同时设置了切换时间，保证参数的渐变，使得在切换时避免抖动，保证控制方法的稳定性。

具体的说，在柔性模式和刚性模式切换时，在预设的恢复时间内逐步调整位置环和速度环的增益的参数，也就是说，在恢复时间内，各参数逐渐变化。更具体的说，假设第一恢复时间为由柔性模式切换至刚性模式时的恢复时间，第二恢复时间为由刚性模式切换至柔性模式时的恢复时间，那么第一恢复时间大于或等于第二恢复时间。其中，可以设置第二恢复时间为0，也就是从刚性模式转换成柔性模式时不过渡，第一恢复时间可以在0-5s。

本实施方式中机器人关节的控制方法的流程图如图6所示，以第一恢复时间为5s，第二恢复时间为0为例具体说明，具体如下：

步骤601，判断是否使能软浮动功能；若是，则继续执行步骤602；若否，则结束本实施方式中的控制方法。

具体的说，判断过程和第二实施方式中的步骤301相类似，在此不再赘述。

步骤602，判断是否处于故障状态；若是，则返回执行步骤601；若否，则继续执行步骤603。

具体的说，如出现软硬件故障，则不继续后续步骤，返回等待。

步骤603，参数初始化。

具体的说，本步骤中初始化的参数包括：柔韧度C_f＝50％，以及第一恢复时间t1＝5s。其中，初始化值可以由系统指定，也可以由用户设置。

步骤604，配置柔性模式控制的参数。

具体的说，包括配置位置环和速度环的增益，还包括位置环前馈系数清零，同时将速度环积分输出Ui清零。

步骤605，关闭位置跟踪和速度跟踪的误差检测。

具体的说，本步骤中关闭位置跟踪误差故障检测功能和速度跟踪误差故障检测功能。

步骤606，保存速度环的积分输出并前馈于电流给定。

步骤607，以柔性模式控制机器人关节。

步骤608，是否关闭软浮动功能；若是，则继续执行步骤609，若否，则返回执行步骤607。

具体的说，在柔性模式控制时，如果收到关闭信号，则可以关闭该模式，并切换至以刚性模式控制机器人关节。

步骤609，判断恢复时间是否结束；若是，则继续执行步骤610；若否，则执行步骤611。

具体的说，本步骤判断5s是否达到。

步骤610，清零中间变量。

步骤611，对速度环和位置环的参数渐变。

具体的说，本步骤可以按照剩余的恢复时间，将位置环参数和速度环参数恢复至以刚性模式控制时的值，参数可以包括比例增益。

更具体的说，可以利用以下公式计算恢复时间内使用的比例增益：

其中，P_k为关闭软浮动功能后恢复时间内使用的参数，P_n是未启用软浮动功能时正常使用的参数，P_sf是软浮动功能时使用的参数。

更具体的说，由于位置环增益和速度环增益的算法相同，所以在此合并为同一个公式，也就是说，当P_k为关闭软浮动功能后恢复时间内的位置增益，则P_n是未启用软浮动功能时的位置增益，P_sf是软浮动功能时的位置增益；当P_k为关闭软浮动功能后恢复时间内的速度增益，则P_n是未启用软浮动功能时的速度增益，P_sf是软浮动功能时的速度增益。

本步骤执行后，继续执行步骤609。

在步骤610后执行步骤612，恢复位置跟踪和速度跟踪的误差检测。

具体的说，本步骤中恢复步骤605中关闭的位置跟踪误差故障检测功能和速度跟踪误差故障检测功能。

另外，本实施方式中的第二恢复实际为0，实际应用中，在从刚性模式切换到柔性模式时，参数的变换使刚度变小，不易造成设备损伤，可以较快速切换，故设定在100ms时间内切换完成。

可见，本实施方式中两种模式切换时给出过渡时间，避免参数突变产生振动，同时明确从柔性模式切换至刚性模式时的恢复时间更长，进一步避免柔性模式切换至刚性模式时，由于位置误差造成的机械结构碰撞。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第四实施方式涉及一种伺服驱动装置，如图7所示，包括：

至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行如第一实施方式至第三实施方式中任意一个机器人关节的控制方法。

其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。

处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。

本发明第五实施方式涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。

即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例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，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机器人关节的控制方法，其特征在于，应用于伺服驱动装置，包括：以柔性模式控制机器人关节，具体包括：

位置环对位置给定和位置反馈的差值进行比例调节后输出；

将所述位置环的输出作为速度给定，速度环对所述速度给定和速度反馈的差值进行比例调节后输出；

将所述速度环的输出叠加电流前馈增量作为电流给定，电流环对所述电流给定和电流反馈的差值进行比例和积分调节后输出，作为所述机器人关节的电机的控制信号；

其中，所述电流前馈增量用于抵消所述机器人关节的自重和摩擦力。

2.根据权利要求1所述的机器人关节的控制方法，其特征在于，还包括：以刚性模式控制机器人关节，具体包括：

位置环对所述位置给定和所述位置反馈的差值进行比例调节后输出；

将所述位置环的输出叠加由所述位置给定折算出的速度前馈，作为速度给定，速度环对所述速度给定和所述速度反馈的差值进行比例和积分调节后输出；

将所述速度环的输出作为电流给定，电流环对所述电流给定和所述电流反馈的差值进行比例和积分调节后输出，作为所述机器人关节的电机的控制信号。

3.根据权利要求2所述的机器人关节的控制方法，其特征在于，在所述柔性模式和所述刚性模式切换时，在预设的恢复时间内逐步调整所述位置环和所述速度环的增益的参数。

4.根据权利要求3所述的机器人关节的控制方法，其特征在于，第一恢复时间大于或等于第二恢复时间；

其中，所述第一恢复时间为由所述柔性模式切换至刚性模式时的恢复时间，所述第二恢复时间为由所述刚性模式切换至柔性模式时的恢复时间。

5.根据权利要求2所述的机器人关节的控制方法，其特征在于，所述电流前馈增量为所述机器人关节处于所述刚性模式时，所述速度环的积分部分的输出。

6.根据权利要求5所述的机器人关节的控制方法，其特征在于，所述前馈增量Iq_Pre根据以下公式计算出：

其中，T_i为速度环积分时间常数，V_err(t)为速度误差。

7.根据权利要求1所述的机器人关节的控制方法，其特征在于，所述以柔性模式控制机器人关节还包括：

关闭位置跟踪误差检测功能和速度跟踪误差检测功能。

8.根据权利要求1所述的机器人关节的控制方法，其特征在于，所述位置环对位置给定和位置反馈的差值进行比例调节后输出中，所述比例增益的参数可以根据预设的比例增益和预设的柔韧度计算出；

其中，所述柔韧度为表征所述机器人关节的柔性程度的参数。

9.一种伺服驱动装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至8中任一所述的机器人关节的控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一所述的机器人关节的控制方法。