CN110253576B - 一种巡检机器人关节运动控制方法及巡检机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种巡检机器人关节运动控制方法及巡检机器人。巡检机器人关节运动控制方法包括以下步骤：机器人巡检之前，对给定的关节运行参数进行优化计算，获得关节的理论控制力矩；在机器人巡检过程中，通过理论控制力矩控制关节的运行，并对关节的实际运行参数进行检测；将实际运行参数与理论控制力矩相对应的期望参数相比较，得到最优的实际运行参数，通过最优的实际运行参数获得实际控制力矩。对机器人的关节的控制过程中，对控制力矩进行了多次优化，提高了机器人关节控制的精确性。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种巡检机器人关节运动控 制方法及巡检机器人。
背景技术
随着智能电网的高速发展和机器人的广泛应用，输电线路巡检机器 人已经成为全球机器人研究的一个热点。巡检机器人需要跨越或避让杆 塔、防振锤、悬垂线夹和引流跳线等各种障碍物，并承受风载荷等外激 励影响，若不能进行有效的控制，则巡检机器人会表现出复杂的非线性 动力学特性，机器人的构型转换、障碍跨越、位姿调控和稳定性等不能 顺利进行，致使构态失稳和越障失败等问题，无法满足输电线路巡检作 业要求，因此有必要对巡检机器人的越障过程中关节的运动进行的评价 以及控制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种巡检机器人关节运动控 制方法及巡检机器人。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种巡检机器人关节运动控制方法，其包括以下步骤：
机器人巡检之前，对给定的关节运行参数进行优化计算，获得关节 的理论控制力矩；
在对给定的关节运行参数进行优化计算过程中：通过比较不同跟踪 误差的标准差及均方根值，获得最优运行参数，跟踪误差是期望输出与 跟踪输出之间的差值；
在机器人巡检过程中，通过理论控制力矩控制关节的运行，并对关 节的实际运行参数进行检测；
将实际运行参数与理论控制力矩相对应的期望参数相比较，得到最 优的实际运行参数，通过最优的实际运行参数获得实际控制力矩。
优选的，对给定的关节运行参数进行优化计算包括以下步骤：
设定机器人关节的期望输出，将期望输出对应的控制力矩代入动力 学方程得出跟踪输出；
比较期望输出和跟踪输出得出最优理论运行参数，通过理论最优运 行参数得出机器人的理论控制力矩。
优选的，通过滑膜控制法求解期望输出对应的控制力矩。
优选的，标准差和均方根值越小其所对应的理论运行参数最优。
优选的，通过牛顿-欧拉法和旋量法建立动力学方程。
优选的，基于动力学方程通过滑膜控制方法求解理论控制力矩。
优选的，在建立动力学方程过程中需要考虑风载荷和输电线倾角。
优选的，通过比较不同实际误差的标准差及均方根值，获得最优运 行参数；
实际误差是实际运行参数与理论控制力矩相对应的期望参数之间的 差值；
标准差和均方根值越小其所对应的运行参数最优。
优选的，运动参数包括角速度。
一种巡检机器人，该巡检机器人包括关机机构，该关节机构在如以 上所述的巡检机器人关机运动控制方法的控制下运行。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的关节运动控制方法，首先通过 理论计算得到理论控制力矩，然后在机器人实际巡检过程中，通过理论 控制力矩控制机器人关节，在实际运行过程对理论控制力矩进行优化得 出实际控制力矩。通过此过程可以得出，对机器人的关节的控制过程中， 对控制力矩进行了多次优化，提高了机器人关节控制的精确性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的滑膜控制Simulink模型图；
图2为本发明具体实施方式提供的基于滑膜控制的巡检机器人关节 运动参数的评价流程图；
图3本发明的具体实施方式提供的基于滑膜控制的不同期望输出条 件下关节跟踪误差的均方根值。
图4本发明的具体实施方式提供的基于滑膜控制的不同期望输出条 件下关节跟踪误差的标准差。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实 施方式，对本发明作详细描述。
如图1、图2所示，本发明公开了一种巡检机器人关节运动控制方法， 其包括以下步骤：
机器人巡检之前，对给定的关节运行参数进行优化计算，获得关节 的理论控制力矩；
在机器人巡检过程中，通过理论控制力矩控制关节的运行，并对关 节的实际运行参数进行检测；
将实际运行参数与理论控制力矩相对应的期望参数相比较，得到最 优的实际运行参数，通过最优的实际运行参数获得实际控制力矩。
在本实施方式中，首先通过理论计算得到理论控制力矩，然后在机 器人实际巡检过程中，通过理论控制力矩控制机器人关节，在实际运行 过程对理论控制力矩进行优化得出实际控制力矩。通过此过程可以得出， 对机器人的关节的控制过程中，对控制力矩进行了多次优化，提高了机 器人关节控制的精确性。
参照图1，对给定的关节运行参数进行优化计算包括以下步骤：在图1中，通过建立的滑膜控制Simulink模型如图1所示，得到关节的期望输 出以及跟踪输出，其中，chap3_2input.m文件对应的是关节的期望输出 环节，chap3_2ctrl.m文件对应的是滑模控制律环节，chap3_2plant.m 文件对应的是巡检机器人的动力学模型。
给定期望输出qd，通过滑膜控制律得到其控制力矩u，再将控制力矩 u作为巡检机器人关节的输入，从而得到实际的跟踪输出q。
关节运行参数优化具体的优化步骤如以下所示：
设定机器人关节的期望输出，将期望输出对应的控制力矩代入动力 学方程得出跟踪输出；
比较期望输出和跟踪输出得出最优理论运行参数，通过理论最优运 行参数得出机器人的理论控制力矩。
该方法中，通过牛顿-欧拉法和旋量法建立动力学方程，在建立动力 学方程过程中需要考虑风载荷和输电线倾角。具体的，如以下所示：
牛顿-欧拉法：
通过牛顿-欧拉法和旋量法建立巡检机器人的整体动力学模型，动力 学模型如式所示：
通过滑膜控制法求解期望输出对应的控制力矩。
式中，τs为待设计项。
选取Lyapunov函数为
则
选取
其中，
将式子(3)代入(5)中，得到
通过李雅普诺夫函数可以验证，待设计项τs按照式(6)获取，则可 以实现控制律的稳定性。
通过比较不同跟踪误差的标准差及均方根值，获得最优运行参数， 跟踪误差是期望输出与跟踪输出之间的差值，标准差和均方根值越小其 所对应的理论运行参数最优。
具体的如以下所述：
为得到最佳的运动参数，分析相应的关节跟踪误差e，综合考虑其均 方根值以及标准差作为评定标准，从而从数值角度获取关节的最佳运动 参数以获取较好的稳定性。
e＝q-qd
给定Matlab中求解均方根值以及标准差的实现程序：
δ＝std(e,1)
RMSE＝sqrt(sum((e).2)/n)
式中，δ为标准差，RMSE为均方根值。
接下来以跟踪误差为研究对象，分别求解在不同期望输出的条件下， 跟踪误差的均方根值以及标准差值，前者用于评价时间历程内跟踪误差 的偏离程度，后者用于评价跟踪误差的离散程度，将两个参数指标作为 综合评价依据，可以全面地对跟踪误差进行评价，从而评价关节的运动 参数。通过比较不同期望输出对应的标准差以及均方根值，得出最优的 关节运动参数。
图3、4为分别为巡检机器人第二组双轴联动中旋转关节在不同期望 旋转角速度的跟踪误差的均方根以及标准差。
由图3可知，关节3期望角速度ω在0.5πrad/s—1.5πrad/s范围内，跟 踪误差的均方根值较小，且在期望角速度ω＝0.42πrad/s，达到最小值，表 明在这一区间进行取值时，能够得到与期望更吻合的实际跟踪值，期望 角速度ω小于0.5πrad/s以及大于1.5πrad/s时，跟踪误差会有较大的增幅， 并且在实际工程中，角速度等运动参数值也不能取得过大，要在合理可 控的范围内。
由图4可知，角速度ω＝0.42πrad/s标准差也是达到最小值，此时的跟 踪误差不会出现较大的波动，整体趋势更为平缓。相比较而言，角速度ω 在0.5πrad/s—1.5πrad/s区间内，跟踪误差的标准差也较小。
综合来看，关节3的期望角速度取值在0.5πrad/s—1.5πrad/s，更为合 理，其中期望角速度ω＝0.42πrad/s表现最佳。
在机器人实际运行过程最优运行参数的获取方式为：
通过比较不同实际误差的标准差及均方根值，获得最优运行参数，
实际误差是实际运行参数与理论控制力矩相对应的期望参数之间的 差值；
标准差和均方根值越小其所对应的运行参数最优。
需要说明的是：实际最优运行参数的获得方式和理论运行参数的获 得方法是一致的，指示两者在计算过程中所采用的参数的获取方式不同， 实际运行参数是利用传感器检测获得的，理论运行参数即跟踪输出是通 过计算获得的。
实际控制力矩获取方式为：通过滑膜控制法求解最优的实际运行参 数对应的控制力矩。
综上所述，本实施方式提供的关节控制方法包括巡检之前的理论计 算环节和巡检过程中参数调整过程，两过程中对控制力矩的调整方式所 采用的是同一套方法，区别是两者调整过程中应用的参数不同，通过多 次调整，提供了机器人运行的稳定性和准确性。
将抽象的巡检机器人关节运动环节转化为相应的数学模型，从数值 分析的角度进行运动参数的评价；
给出对应的Simulink模型，利于进行数值仿真分析；
提出一种基于跟踪误差均方根值以及标准差的数值评价方法，实现 关节运动参数评价的量化，兼从数据和图形角度，更加直观地得出结论；
给出Matlab中跟踪误差的均方根值以及标准差实现表达式，具有较 强的复现性。
在本实施方式中，还提供了一种巡检机器人，该巡检机器人包括关 机机构，该关节机构在如以上所述的巡检机器人关机运动控制方法的控 制下运行。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了 解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。 基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到 本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种巡检机器人关节运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
机器人巡检之前，对给定的关节运行参数进行优化计算，获得关节的理论控制力矩；实际运行参数为角速度；
在对给定的关节运行参数进行优化计算过程中：通过比较不同跟踪误差的标准差及均方根值，获得最优运行参数，跟踪误差是期望输出与跟踪输出之间的差值；
基于跟踪误差的均方根值评价时间历程内跟踪误差的偏离程度，以及基于跟踪误差的标准差值评价跟踪误差的离散程度；
在机器人巡检过程中，通过理论控制力矩控制关节的运行，并对关节的实际运行参数进行检测；
将实际运行参数与理论控制力矩相对应的期望参数相比较，得到最优的实际运行参数，通过最优的实际运行参数获得实际控制力矩；
还包括：对给定的关节运行参数进行优化计算包括以下步骤：
设定机器人关节的期望输出，将期望输出对应的控制力矩代入动力学方程得出跟踪输出；
比较期望输出和跟踪输出得出最优理论运行参数，通过理论最优运行参数得出机器人的理论控制力矩。
2.根据权利要求1所述的巡检机器人关节运动控制方法，其特征在于，通过滑膜控制法求解期望输出对应的控制力矩。
3.根据权利要求1所述的巡检机器人关节运动控制方法，其特征在于，标准差和均方根值越小其所对应的理论运行参数最优。
4.根据权利要求1所述的巡检机器人关节运动控制方法，其特征在于，通过牛顿-欧拉法和旋量法建立动力学方程。
5.根据权利要求4所述的巡检机器人关节运动控制方法，其特征在于，基于动力学方程通过滑膜控制方法求解理论控制力矩。
6.根据权利要求4所述的巡检机器人关节运动控制方法，其特征在于，在建立动力学方程过程中需要考虑风载荷和输电线倾角。
7.根据权利要求1所述的巡检机器人关节运动控制方法，其特征在于，通过比较不同实际误差的标准差及均方根值，获得最优运行参数；
实际误差是实际运行参数与理论控制力矩相对应的期望参数之间的差值；
标准差和均方根值越小其所对应的运行参数最优。
8.一种巡检机器人，其特征在于，该巡检机器人包括关机机构，该关节机构在如权利要求1-7任意一项所述的巡检机器人关机运动控制方法的控制下运行。
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