CN109434873B - 机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法，包括以下步骤：在机器人末端安装已知质心位置和质量的负载；将待测的伺服电机相对应的机器人关节来回进行运动，其余关节不动；采样该关节匀速段的关节角度序列[θ₁,θ₂,…,θ_N]及该关节角度序列对应的伺服电机的电流值；将对应关节角度下的正反转的电流值进行处理后得到电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，通过计算得到不同关节角度下的关节力矩[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]；最后将上述数据线性拟合得到伺服电机的转矩常数。本发明在不需要力矩传感器等额外设备、也无需对伺服电机进行拆卸的情况下，能够测量安装于机器人上的伺服电机的转矩常数。

Description

机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法

技术领域

本发明涉及伺服电机转矩常数的测量方法。

背景技术

伺服电机是机器人的重要组成部分之一，伺服电机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体来获得机器人的各种运动。为了满足更高速高精度的机器人运动需求，对机器人关节伺服电机的控制技术提出了更高的要求，一些新的控制方法例如基于机器人动力学模型的力矩前馈补偿控制等被广泛研究。因此，伺服电机参数在机器人测试和应用中显得尤为重要。

伺服电机的转矩常数是其中非常重要的一个参数，它直接反映了电机电流与力矩之间的关系。由于大部分机器人没有安装关节力矩传感器，关节力矩只能通过电机电流来表征，再通过转矩常数将电机电流转化为关节力矩，并与机器人动力学模型等相关联。大部分电机在出厂时附带的参数表中一般会标有转矩常数参数，但该值是一个范围值，且伺服电机安装于机器人后，关节输出端还需要经过减速机、同步带等设备，因此有必要重新测量其转矩常数参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种在不需要力矩传感器等额外设备、也无需对伺服电机进行拆卸的情况下，能够测量安装于机器人上的伺服电机的转矩常数的测量方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法，包括以下步骤：

在机器人末端安装已知质心位置和质量的负载；

控制与待测的伺服电机相对应的机器人关节来回运动，而机器人的其余关节不动，并使机器人关节来回运动的范围不超过规定的机器人关节运动范围，且机器人在运动过程中存在匀速运动阶段；

在机器人关节来回运动时的匀速运动阶段以预定的时间间隔采样与待测的伺服电机相对应的机器人关节的关节角度和待测伺服电机的电流值；

将每一关节角度下在伺服电机正转时所对应的电流值I_m+和在伺服电机反转时对应的电流值I_m-相加后除以2，得到该关节角度下伺服电机的电流值I_m为I_m＝(I_m++I_m-)/2；对于采样得到的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]，得到相对应的电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，其中，N为大于等于10的整数；

通过计算得到与所述的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]相对应的关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]；

基于关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]和电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，通过线性拟合得到机器人关节伺服电机的转矩常数K_T。

根据本发明又一实施例的一种机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法，包括以下步骤：

在机器人末端安装已知质心位置和质量的负载；

控制与待测的伺服电机相对应的机器人关节来回运动，而机器人的其余关节不动，并使机器人关节来回运动的范围不超过规定的机器人关节运动范围，且机器人在运动过程中存在匀速运动阶段；

在机器人关节来回运动时的匀速运动阶段以预定的时间间隔采样与待测的伺服电机相对应的机器人关节的关节角度和待测伺服电机的电流值；

将每一关节角度下在伺服电机正转时所对应的电流值I_m+和在伺服电机反转时对应的电流值I_m-相加后除以2，得到该关节角度下伺服电机的电流值I_m为I_m＝(I_m++I_m-)/2；对于采样得到的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]，得到相对应的电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，其中，N为大于等于10的整数；

通过计算得到与一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]相对应的关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]；

通过更换不同的末端负载或改变机器人的其余关节中一个或多个关节的关节位置，重新控制与待测的伺服电机相对应的机器人关节来回运动，得到多个关节力矩序列和多个电流序列；

基于多个关节力矩序列和多个电流序列，通过线性拟合得到机器人关节伺服电机的转矩常数K_T。

本发明至少具有以下优点：

采用根据本发明实施例的伺服电机转矩常数的测量方法不需要力矩传感器等额外设备，也不需要对伺服电机进行拆卸，测量过程简单，实施成本低。通过该测量方法得到的转矩常数可以直接地反应出伺服电机电流与关节力矩之间的关系，在基于机器人动力学模型的伺服控制的应用中尤为重要。

附图说明

图1示出了根据本发明一实施例的机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法的示意图。

图2示出了某型号机器人第1关节的伺服电机的转矩常数模拟结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

请参阅图1。根据本发明一实施例的一种机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法，包括以下步骤：

在机器人末端安装已知质心位置和质量的负载；

控制与待测的伺服电机相对应的机器人关节来回运动，而机器人的其余关节不动，并使机器人关节来回运动的范围不超过规定的机器人关节运动范围，且机器人在运动过程中存在匀速运动阶段；

在机器人关节来回运动时的匀速运动阶段以预定的时间间隔采样与待测的伺服电机相对应的机器人关节的关节角度和待测伺服电机的电流值；其中，机器人关节在做“来侧”运动时，伺服电机的转动方向为正转或反转中的一者，机器人关节在做“回侧”运动时，伺服电机的转动方向为正转或反转中的另一者；

将每一关节角度下在伺服电机正转时所对应的电流值I_m+和在伺服电机反转时对应的电流值I_m-相加后除以2，得到该关节角度下伺服电机的电流值I_m为I_m＝(I_m++I_m-)/2；对于采样得到的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]，得到相对应的电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，其中，N为大于等于10的整数；

通过计算得到与一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]相对应的关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]；

基于关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]和电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，通过线性拟合得到机器人关节伺服电机的转矩常数K_T。

以下以测量六轴机器人的第四关节的伺服电机转矩常数为例，说明具体的测量的过程如下。

步骤A、在机器人末端安装已知质心位置和质量的负载，同时分别将机器人的第一关节、第二关节、第三关节、第五关节和第六关节固定为某一角度。

步骤B、使用示教器控制机器人第四关节做来回运动，运动角度不超过规定的机器人关节运动范围(即机器人关节角度限制)，且保证机器人在运动过程中存在匀速运动阶段。

步骤C、机器人控制器在机器人的匀速运动阶段以预定的时间间隔采样(该预定的时间间隔例如为机器人控制器的采样周期，如4ms或8ms)第四关节的关节角度和第四关节的伺服电机的电流值，得到一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]以及相应的伺服电机的电流数据。

步骤D、机器人控制器处理电流数据，将相同关节角度下电机正转和反转的电流数据处理得到该关节角度下伺服电机的电流值I_m为：I_m＝(I_m++I_m-)/2；对于采样得到的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]，得到相对应的电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，其中，N＝50。

步骤E、通过将负载的质量和质心位置、机器人各个关节的质量、质心位置和关节角度代入机器人的动力学模型中，通过计算得到机器人在第四关节处于每一采样得到的关节角度时的重力矩G(θ)，关节力矩τ_m等于重力矩G(θ)。对于一系列的第四关节的关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]，可以计算得到第四关节的关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]。

负载的质量和质心位置为已知，机器人各关节的质量和质心位置可以通过三维模型(例如CAD三维模型)或测量得到。

已知在关节空间中，机器人的动力学方程为：

其中，τ_m为关节力矩；

θ,

分别表示机器人各关节的位置、速度及加速度；

为惯性力矩；

为科里奥利力和向心力；

G(θ)为重力矩；

τ_f为关节摩擦力矩。

将关节位置、速度、加速度信息以及机器人惯性参数代入到上述动力学方程中即可以得到机器人运动过程中各关节所需的关节力矩。

当机器人第i个关节(本应用实例中是第四个关节)进行匀速运动，而其他关节不动的条件下有：

于是对于第i个关节，上述方程可以简化为：

即，关节力矩等于所添加的负载重力矩和关节的摩擦力矩。因为摩擦力矩与速度的方向相反，在正转条件下，有：

在反转条件下，有：

将两者相加有：

通过上述方程可以排除该关节摩擦力矩的影响，同时得到该关节在不同角度处的关节力矩。

对于机器人各关节，关节的负载为六关节末端添加的负载和其余关节。在本应用例中，机器人第四关节的负载为六关节末端添加的负载和机器人四五六关节，它们所产生的重力矩可以通过负载的惯性参数和机器人各关节的惯性参数计算得到。

步骤F、根据伺服电机的转矩常数K_T的定义公式K_T＝τ_m/I_m，基于关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]和电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，通过线性拟合得到机器人第四关节的伺服电机的转矩常数K_T。

重复上述步骤，还可以得到机器人其余各关节的伺服电机的转矩常数。即，将机器人第i个关节(i等于1、2、3、5或6)来回进行运动，其余关节不动，通过机器人控制器采样记录下该关节匀速段的关节角度序列[θ₁,θ₂,…,θ_N]及该关节角度序列对应的伺服电机的电流值，将对应关节角度下的正反转的电流值进行处理后得到电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，同时通过模型计算得到不同关节角度下的关节力矩[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]，最后将上述数据线性拟合得到伺服电机的转矩常数。

为了使测量结果更加精确，在其它的应用实例中，在步骤E之后，进一步通过更换不同的末端负载或改变机器人的其余关节中一个或多个关节的关节位置，重新控制与待测的伺服电机相对应的机器人关节来回运动(对于第四关节而言，是除了第四关节以外的其余一个或多个关节，重新控制第四关节来回运动)，得到多个关节力矩序列和多个电流序列，重复多次，获得的数据能够覆盖量程；最后基于多个关节力矩序列和多个电流序列，通过线性拟合得到机器人关节伺服电机的转矩常数K_T。

图2示出了某型号机器人第一关节的伺服电机电流、关节力矩数据及拟合结果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在机器人末端安装已知质心位置和质量的负载；

控制与待测的伺服电机相对应的机器人关节来回运动，而机器人的其余关节不动，并使机器人关节来回运动的范围不超过规定的机器人关节运动范围，且机器人在运动过程中存在匀速运动阶段；

在机器人关节来回运动时的匀速运动阶段以预定的时间间隔采样与待测的伺服电机相对应的机器人关节的关节角度和待测伺服电机的电流值；

将每一关节角度下在伺服电机正转时所对应的电流值I_m+和在伺服电机反转时对应的电流值I_m-相加后除以2，得到该关节角度下伺服电机的电流值I_m为I_m＝(I_m++I_m-)/2；对于采样得到的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]，得到相对应的电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，其中，N为大于等于10的整数；

通过计算得到与所述的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]相对应的关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]；所述关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]中的每一个关节力矩值是通过以下方式得到：将所述负载的质量和质心位置、机器人各个关节的质量、质心位置和关节角度代入机器人的动力学模型中，通过计算得到重力矩，使关节力矩等于重力矩；

基于所述关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]和所述电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，通过线性拟合得到机器人关节伺服电机的转矩常数K_T。

2.如权利要求1所述的机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法，其特征在于，机器人各个关节的质量和质心位置是通过机器人三维模型或测量得到。

3.一种机器人关节伺服电机转矩常数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在机器人末端安装已知质心位置和质量的负载；

控制与待测的伺服电机相对应的机器人关节来回运动，而机器人的其余关节不动，并使机器人关节来回运动的范围不超过规定的机器人关节运动范围，且机器人在运动过程中存在匀速运动阶段；

在机器人关节来回运动时的匀速运动阶段以预定的时间间隔采样与待测的伺服电机相对应的机器人关节的关节角度和待测伺服电机的电流值；

将每一关节角度下在伺服电机正转时所对应的电流值I_m+和在伺服电机反转时对应的电流值I_m-相加后除以2，得到该关节角度下伺服电机的电流值I_m为I_m＝(I_m++I_m-)/2；对于采样得到的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]，得到相对应的电流序列[I_m1,I_m2,…,I_mN]，其中，N为大于等于10的整数；

通过计算得到与所述的一系列关节角度[θ₁,θ₂,…,θ_N]相对应的关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]；所述关节力矩序列[τ_m1,τ_m2,…,τ_mN]中的每一个关节力矩值是通过以下方式得到：将所述负载的质量和质心位置、机器人各个关节的质量、质心位置和关节角度代入机器人的动力学模型中，通过计算得到重力矩，使关节力矩等于重力矩；

通过更换不同的末端负载或改变机器人的其余关节中一个或多个关节的关节位置，重新控制与待测的伺服电机相对应的机器人关节来回运动，得到多个关节力矩序列和多个电流序列；

基于所述多个关节力矩序列和所述多个电流序列，通过线性拟合得到机器人关节伺服电机的转矩常数K_T。

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