CN109676607A - 一种无力矩传感的零重力控制方法 - Google Patents

一种无力矩传感的零重力控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械臂控制技术领域，且公开了一种无力矩传感的零重力控制方法，包括以下步骤；步骤1：通过绝对值编码器获取机械臂各关节的绝对位置参数脉冲值，并将电机脉冲量转换成基于笛卡尔坐标系的原点的脉冲量；步骤2：根据瞬时速度和瞬时加速度的定义计算循环迭代计算瞬时速度值与瞬时加速度值；步骤3：通过软件Matlab编程确定机械臂各关节臂的重力矩与各关节的位置参数的代数关系式。该方法，零力拖动未采用力矩传感器，成本低且操作性强，易于工业自动化的应用与普及，同时主要借助于参数的辨识及软件算法来实现，省时省力，编程示教效率高，后期维护升级方便快捷，拖动示教规划点提高编程效率和质量，为产品合格率垫定基础。

Description

一种无力矩传感的零重力控制方法
技术领域
本发明涉及机械臂控制技术领域，具体为一种无力矩传感的零重力控制方法。
背景技术
在工业4.0的大背景下，机械臂的应用与普及程度成为衡量一个国家自动化实力的一个重要方面。目前机械臂的应用主要是完成的任务为通过专业人员的预先编程，使其按照程序设定和外部信号完成相应运动。机械臂的编程主要包含三种：固定点程序、示教编程、离线编程，另外某些机器臂具备拖动示教编程的功能，降低该行业的准入门槛，为机器人的工业化自动化的普及垫定基础。
当前机械臂编程的几种方式：固定点程序一般应用于单一工况；示教编程一般采用直接示教法，即机械臂通过关节空间运动和笛卡尔空间运动，使机器人运行至目标规划点；离线编程则是预先写好逻辑，将点的信息预先计算好后，然后采用直接示教纠正偏差值，以上方式的实现对工程师的要求较高，耗费时间长，编程示教效率较低，且较难获取理想的轨迹规划点，某些机器臂多采用力矩传感器实现拖动示教，虽然解决了以上问题，但是成本较高，普及难度较大。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种无力矩传感的零重力控制方法，具备零力拖动未采用力矩传感器，成本低且操作性强，易于工业自动化的应用与普及，同时主要借助于参数的辨识及软件算法来实现，省时省力，编程示教效率高，后期维护升级方便快捷，拖动示教规划点提高编程效率和质量，为产品合格率垫定基础等优点，解决了无力矩传感的零重力控制对工程师的要求较高，耗费时间长，编程示教效率较低，且较难获取理想的轨迹规划点，某些机器臂多采用力矩传感器实现拖动示教，虽然解决了以上问题，但是成本较高，普及难度较大的问题。
(二)技术方案
为实现上述零力拖动未采用力矩传感器，成本低且操作性强，易于工业自动化的应用与普及，同时主要借助于参数的辨识及软件算法来实现，省时省力，编程示教效率高，后期维护升级方便快捷，拖动示教规划点提高编程效率和质量，为产品合格率垫定基础的目的，本发明提供如下技术方案：一种无力矩传感的零重力控制方法，包括以下步骤；
步骤1：通过绝对值编码器获取机械臂各关节的绝对位置参数脉冲值，并将电机脉冲量转换成基于笛卡尔坐标系的原点的脉冲量；
步骤2：根据瞬时速度和瞬时加速度的定义计算循环迭代计算瞬时速度值与瞬时加速度值；
步骤3：通过软件Matlab编程确定机械臂各关节臂的重力矩与各关节的位置参数的代数关系式；
步骤4：通过最小二乘法辨识电机力矩灵敏度系数值和摩擦力系数值；
步骤5：根据假定静摩擦力与所受压力存在线性关系，粘滞摩擦力与瞬时速度值存在线性关系；
步骤6：通过电机力矩灵敏度系数值修正控制电机的电流和机械臂相应位姿的重力矩确定电机所需输出的电流值，从而调节相应的电机输出力矩值；
步骤7：根据实际补偿效果调节力矩修正系数值，从而实现较好的零力拖动示教；
步骤8：借助于机器人自身的示教编程模块，实现零力拖动示教编程。
优选的，所述步骤2中瞬时速度计算公式为：V＝△X/△t，V代表瞬时速度，△X表示位移，△t表示开始时间与结束时间之间的差值。
优选的，所述步骤4中假定柔性连杆串联的操作臂的情况，基于动力学方程式1：τ为系统所受的外部力矩；
依据公式：
其中电机与负载通过代表关节柔性的扭簧相连，电机的输出力矩τM作为机器人关节的输入，Bm表示电机Q的自身惯量，K1是谐波减速器的等效刚度系数，谐波减速器所带负载为机器人关节所能承受的负载，电机转角变化为θ，通过谐波减速器将力矩传递给输出端带动负载，输出端转角变化为q，表示外部环境对机器人所施加的力矩，P表示外力作用，τf表示摩擦力矩。
优选的，所述步骤5中线性关系根据动力学方程式1，针对机器人建立动力学模型，对于一个单连杆系统而言，关于电机输出力矩τM等于外部力矩与人施加力矩之差，则动力学方程2表示：其中电机输出力矩τM与电机电流成线性关系，τM＝Kmi，电流i可以通过关节电机驱动模块中的霍尔传感器采集得到，K1是电机转矩灵敏度，Bm是电机转动惯量，G(q)是重力矩，q是关节角度，其中电流i通过关节电机驱动模块中的霍尔传感器采集，用于关节电机运动过程中的电流控制力矩的输出，零力拖动的关键是补偿自身重力、摩擦力这两项动力学参数。根据机器人不断变化的关节位置推算出每个关节当前的重力项G(q)，从而控制电机输出力矩(即输出电流)去补偿重力项，同时还需要补偿摩擦力使得拖动更加流畅，电机转矩灵敏度:辨识的过程中采用匀低速动态平衡运动，运动过程中无外力影响(P＝0)。此时，根据动力学方程2，可得到如下所示的单连杆系统的动力学方程3：在系统辨识中运用最广且效果最好的还是最小二乘法，可以将系统动力学方程写成矩阵相乘的形式：其中机械臂重力矩G(q):由于机器人动力学参数包括每个连杆的质心坐标和质量，可通过三维软件SolidWorks计算得到，故重力矩无需辨识，
优选的，所述步骤5中补偿值可以直接通过拉格朗日法计算出每个连杆所需的重力项补偿值，实现零阻力拖动示教，对动力学方程式3做出如其中机械臂摩擦力τf：机械臂运动运行初状态主要受静摩擦力，运动过程中还会受到粘滞摩擦力作用，其中，一般情况下，在工况相同的情况系，静摩擦力大小为定值，方向与运动方向相反；粘滞摩擦力与运动速度相关，且假定为线性关系。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种无力矩传感的零重力控制方法装置，具备以下有益效果：
该无力矩传感的零重力控制方法，该控制方法的零力拖动未采用力矩传感器，成本低且操作性强，易于工业自动化的应用与普及，同时主要借助于参数的辨识及软件算法来实现，省时省力，编程示教效率高，后期维护升级方便快捷，拖动示教规划点提高编程效率和质量，为产品合格率垫定基础。
附图说明
图1是本发明的控制算法流程图。
具体实施方式
下面结合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，都属于本发明保护的范围。
参见图1，一种无力矩传感的零重力控制方法，包括以下步骤；
步骤1：通过绝对值编码器获取机械臂各关节的绝对位置参数脉冲值，并将电机脉冲量转换成基于笛卡尔坐标系的原点的脉冲量；
步骤2：根据瞬时速度和瞬时加速度的定义计算循环迭代计算瞬时速度值与瞬时加速度值；
步骤3：通过软件Matlab编程确定机械臂各关节臂的重力矩与各关节的位置参数的代数关系式；
步骤4：通过最小二乘法辨识电机力矩灵敏度系数值和摩擦力系数值；
步骤5：根据假定静摩擦力与所受压力存在线性关系，粘滞摩擦力与瞬时速度值存在线性关系；
步骤6：通过电机力矩灵敏度系数值修正控制电机的电流和机械臂相应位姿的重力矩确定电机所需输出的电流值，从而调节相应的电机输出力矩值；
步骤7：根据实际补偿效果调节力矩修正系数值，从而实现较好的零力拖动示教；
步骤8：借助于机器人自身的示教编程模块，实现零力拖动示教编程。
无力矩传感的零重力控制方法步骤2中瞬时速度计算公式为：V＝△X/△t，V代表瞬时速度，△X表示位移，△t表示开始时间与结束时间之间的差值。
无力矩传感的零重力控制方法步骤4中假定柔性连杆串联的操作臂的情况，基于动力学方程式1：τ为系统所受的外部力矩；
依据公式：
其中电机与负载通过代表关节柔性的扭簧相连，电机的输出力矩τM作为机器人关节的输入，Bm表示电机Q的自身惯量，K1是谐波减速器的等效刚度系数，谐波减速器所带负载为机器人关节所能承受的负载，电机转角变化为θ，通过谐波减速器将力矩传递给输出端带动负载，输出端转角变化为q，表示外部环境对机器人所施加的力矩，P表示外力作用，τf表示摩擦力矩。
无力矩传感的零重力控制方法步骤5中线性关系根据动力学方程式1，针对机器人建立动力学模型，对于一个单连杆系统而言，关于电机输出力矩τM等于外部力矩与人施加力矩之差，则动力学方程2表示：其中电机输出力矩τM与电机电流成线性关系，τM＝Kmi，电流i可以通过关节电机驱动模块中的霍尔传感器采集得到，K1是电机转矩灵敏度，Bm是电机转动惯量，G(q)是重力矩，q是关节角度，其中电流i通过关节电机驱动模块中的霍尔传感器采集，用于关节电机运动过程中的电流控制力矩的输出，零力拖动的关键是补偿自身重力、摩擦力这两项动力学参数。根据机器人不断变化的关节位置推算出每个关节当前的重力项G(q)，从而控制电机输出力矩(即输出电流)去补偿重力项，同时还需要补偿摩擦力使得拖动更加流畅，电机转矩灵敏度:辨识的过程中采用匀低速动态平衡运动，运动过程中无外力影响(P＝0)。此时，根据动力学方程2，可得到如下所示的单连杆系统的动力学方程3：在系统辨识中运用最广且效果最好的还是最小二乘法，可以将系统动力学方程写成矩阵相乘的形式：其中机械臂重力矩G(q):由于机器人动力学参数包括每个连杆的质心坐标和质量，可通过三维软件SolidWorks计算得到，故重力矩无需辨识，
无力矩传感的零重力控制方法步骤5中补偿值可以直接通过拉格朗日法计算出每个连杆所需的重力项补偿值，实现零阻力拖动示教，对动力学方程式3做出如其中机械臂摩擦力τf：机械臂运动运行初状态主要受静摩擦力，运动过程中还会受到粘滞摩擦力作用，其中，一般情况下，在工况相同的情况系，静摩擦力大小为定值，方向与运动方向相反；粘滞摩擦力与运动速度相关，且假定为线性关系。
综上所述，该无力矩传感的零重力控制方法，该控制方法的零力拖动未采用力矩传感器，成本低且操作性强，易于工业自动化的应用与普及，同时主要借助于参数的辨识及软件算法来实现，省时省力，编程示教效率高，后期维护升级方便快捷，拖动示教规划点提高编程效率和质量，为产品合格率垫定基础。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种无力矩传感的零重力控制方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤1：通过绝对值编码器获取机械臂各关节的绝对位置参数脉冲值，并将电机脉冲量转换成基于笛卡尔坐标系的原点的脉冲量；
步骤2：根据瞬时速度和瞬时加速度的定义计算循环迭代计算瞬时速度值与瞬时加速度值；
步骤3：通过软件Matlab编程确定机械臂各关节臂的重力矩与各关节的位置参数的代数关系式；
步骤4：通过最小二乘法辨识电机力矩灵敏度系数值和摩擦力系数值；
步骤5：根据假定静摩擦力与所受压力存在线性关系，粘滞摩擦力与瞬时速度值存在线性关系；
步骤6：通过电机力矩灵敏度系数值修正控制电机的电流和机械臂相应位姿的重力矩确定电机所需输出的电流值，从而调节相应的电机输出力矩值；
步骤7：根据实际补偿效果调节力矩修正系数值，从而实现较好的零力拖动示教；
步骤8：借助于机器人自身的示教编程模块，实现零力拖动示教编程。
2.根据权利要求1所述的一种无力矩传感的零重力控制方法，其特征在于：所述步骤2中瞬时速度计算公式为：V＝△X/△t，V代表瞬时速度，△X表示位移，△t表示开始时间与结束时间之间的差值。
3.根据权利要求1所述的一种无力矩传感的零重力控制方法，其特征在于：所述步骤4中假定柔性连杆串联的操作臂的情况，基于动力学方程式1：τ为系统所受的外部力矩；
依据公式：
其中电机与负载通过代表关节柔性的扭簧相连，电机的输出力矩τM作为机器人关节的输入，Bm表示电机Q的自身惯量，K1是谐波减速器的等效刚度系数，谐波减速器所带负载为机器人关节所能承受的负载，电机转角变化为θ，通过谐波减速器将力矩传递给输出端带动负载，输出端转角变化为q，表示外部环境对机器人所施加的力矩，P表示外力作用，τf表示摩擦力矩。
4.根据权利要求1所述的一种无力矩传感的零重力控制方法，其特征在于：所述步骤5中线性关系根据动力学方程式1，针对机器人建立动力学模型，对于一个单连杆系统而言，关于电机输出力矩τM等于外部力矩与人施加力矩之差，则动力学方程2表示：其中电机输出力矩τM与电机电流成线性关系，τM＝Kmi，电流i可以通过关节电机驱动模块中的霍尔传感器采集得到，K1是电机转矩灵敏度，Bm是电机转动惯量，G(q)是重力矩，q是关节角度，其中电流i通过关节电机驱动模块中的霍尔传感器采集，用于关节电机运动过程中的电流控制力矩的输出，零力拖动的关键是补偿自身重力、摩擦力这两项动力学参数。根据机器人不断变化的关节位置推算出每个关节当前的重力项G(q)，从而控制电机输出力矩(即输出电流)去补偿重力项，同时还需要补偿摩擦力使得拖动更加流畅，电机转矩灵敏度:辨识的过程中采用匀低速动态平衡运动，运动过程中无外力影响(P＝0)。此时，根据动力学方程2，可得到如下所示的单连杆系统的动力学方程3：在系统辨识中运用最广且效果最好的还是最小二乘法，可以将系统动力学方程写成矩阵相乘的形式：其中机械臂重力矩G(q):由于机器人动力学参数包括每个连杆的质心坐标和质量，可通过三维软件SolidWorks计算得到，故重力矩无需辨识。
5.根据权利要求1所述的一种无力矩传感的零重力控制方法，其特征在于：所述步骤5中补偿值可以直接通过拉格朗日法计算出每个连杆所需的重力项补偿值，实现零阻力拖动示教，对动力学方程式3做出如其中机械臂摩擦力τf：机械臂运动运行初状态主要受静摩擦力，运动过程中还会受到粘滞摩擦力作用，其中，一般情况下，在工况相同的情况系，静摩擦力大小为定值，方向与运动方向相反；粘滞摩擦力与运动速度相关，且假定为线性关系。
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