CN110757458B - 一种抑制机器人关节低速爬行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制机器人关节低速爬行的方法，包括以下几个流程：离线辨识爬行现象的速度区间和等级、补偿附加力抑制爬行现象、实际应用中设置补偿付附加力的区间实时补偿。本发明的方法主要从伺服控制的角度来解决低速爬行的问题，通过辨识机器人关节的速度不平顺性，判断该关节是否需要进行低速爬行的抑制，通过逐次逼近的方法得到需要补偿冲击扭矩的速度区间，以及各个转速下需要补偿的扭矩值大小，生成该关节的速度‑转矩补偿表格，在实际运行中当转速处于辨别的速度区间的时候，实时补偿冲击转矩，从而抑制低速爬行现象。

Description

一种抑制机器人关节低速爬行的方法

技术领域

本发明涉及工业机器人伺服控制技术领域，特别涉及一种抑制机器人关节低速爬行的方法。

背景技术

工业机器人的关节电机受编码器精度，安装同轴度，摩擦力等影响，电机后端带减速机也会受到摩擦力，安装精度等非线性影响。当该关节高速运行时这些影响因素对转速的影响占比较小，且高速运行时一般对轨迹要求较低。但当关节以极低速运行时这些非线性影响因素就会对速度的有较大影响，从而造成关节速度抖动式前进，也就是常说的“爬行”现象，如果该机器人用于加工零部件就会造成零部件加工的毛刺，如果该机器人用于精密搬运就会碰到工件边缘。

现有解决该问题点的方案通常采用更换电机编码器为更高精度编码器，定制摩擦力更小的减速机，更换连接方式等等，这些方案都会造成成本的增加，安装工艺的改变等不利因素。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种抑制机器人关节低速爬行的方法，主要从伺服控制的角度来解决低速爬行的问题，包括以下几个流程：离线辨识爬行现象的速度区间和等级、补偿附加力抑制爬行现象、实际应用中设置补偿付附加力的区间实时补偿。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种抑制机器人关节低速爬行的方法，包括以下步骤：

A.设置关节电机以设定的转速开始运行，初次运行时是以可运行的最低转速ω_r开始运行；

B.采样关节电机的转速波形，计算关节电机运行的加速度；

C.统计运行一段时间T内，加速度的最大值α_max；

D.判定所述加速度的最大值是否大于预设加速度阈值，若不大于则说明该关节电机不需进行扭矩补偿，若大于则进入步骤E；

E.给关节电机补偿额定扭矩的a％的冲击扭矩，每隔m毫秒冲击一次，并重复步骤A至C，再判定此时的加速度的最大值是否大于预设加速度阈值；

F.若大于则返回步骤E，否则，将当前的关节电机补偿的冲击扭矩值T_1rpm记为关节电机在转速ω_r下需要补偿的冲击扭矩值，并进入步骤G；

G.将关节电机的转速在原转速基础上增加ω_r，重复步骤A至F，直至在未补偿冲击扭矩之前关节电机即满足运行一段时间T内转速的加速度的最大值不大于预设加速度阈值，从而得出在需要补偿的转速区间内各转速下对应需要补偿的冲击扭矩值，并得出扭矩转速补偿对照表；

H.实际运行关节电机时根据所述扭矩转速补偿对照表对关节电机进行冲击扭矩补偿。

进一步地，所述步骤C中还包括计算运行一段时间T内，加速度的最小值α_min、平均值α_avg，及在该时间段内关节电机的转速的最大值ω_fmax、最小值ω_fmin、平均值ω_favg。

进一步地，所述步骤D具体为：

D1.将速度反馈平均值与指令值的误差记为E_w且E_ω＝ω_favg-ω_r，计算速度误差占比D_err，

判定误差占比D_err是否大于最大误差占比；

D2.判定加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值是否大于差值阈值；一般加速度的平均值α_avg越接近与0说明该关节电机越趋近于不需进行扭矩补偿；

D3.判定加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值是否大于预设加速度阈值；

D4.若均不大于则说明该关节电机不需进行扭矩补偿，否则进入步骤E。

进一步地，所述步骤E具体为：

E1.给关节电机补偿额定扭矩的a％的冲击扭矩，每隔m毫秒冲击一次，并重复步骤A至C；

E2.判定当前运行速度下：判定误差占比D_err是否大于最大误差占比、加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值是否大于差值阈值、加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值是否大于预设加速度阈值；

所述步骤G具体为：

G1.将关节电机的转速在原转速基础上增加ω_r，重复步骤A至F；

G2.直至在未补偿冲击扭矩之前关节电机即满足：运行一段时间T内转速的误差占比D_err不大于最大误差占比、加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值不大于差值阈值、加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值均不大于预设加速度阈值为止；

G3.得出在需要补偿冲击扭矩的转速区间内各转速下对应需要补偿的冲击扭矩值，并得出扭矩转速补偿对照表。

进一步地，所述最大误差占比为50％，所述预设加速度阈值为14000rad/s²；考虑到编码器分辨率一般为17位，低速情况下速度测量本身误差，最大误差占比的取值可适当放大一些，通过实际测试取值50％不影响最终测试效果；预设加速度阈值的设定需要根据编码器分辨率和精度计算，如一般编码器分辨率为17位，一般在电机不动的时候编码器码值也会有约2个码值的波动，假设在相邻两个控制周期(100us)刚好采样到波动前后的码值，那么计算得到该状态下计算得到的加速度为9582.5rad/s²，考虑到采样误差和速度平稳性，此处限制放大1.5倍，取值14000rad/s²，实际中，上述的最大误差占比及预设加速度阈值也可根据实际情况设定。

进一步地，所述最低转速ω_r为1rpm。

进一步地，1≤a≤10，考虑到电机的摩擦力矩和减速机摩擦力矩的影响，这个影响值一般都大于了电机额定扭矩的10％，冲击力矩是不带迭代增加的，因此也需要尽可能的细化档位，从而保障补偿的准确性，因此冲击力矩取值可取范围为1％-10％。

进一步地，a等于5，即每次提高额定扭矩的5％的冲击扭矩，直到计算得到的转速满足相关要求。

进一步地，m等于1，低速爬行主要还是由电机和减速机的静摩擦力不固定带来的，为尽可能减小冲击力矩的带来的振动感，冲击频率应该大于500HZ，但有因为冲击力也需要至少作用约5个控制周期(500us)，因此冲击频率取值应为500HZ到2000HZ之间，此处取1000HZ，因此间隔时间为1ms。

进一步地，T等于10ms或20ms。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明的抑制机器人关节低速爬行的方法，通过辨识机器人关节的速度不平顺性，判断该关节是否需要进行低速爬行的抑制，通过逐次逼近的方法得到需要补偿冲击扭矩的速度区间，以及各个转速下需要补偿的扭矩值大小，生成该关节的速度-转矩补偿表格，在实际运行中当转速处于辨别的速度区间的时候，实时补偿冲击转矩，从而抑制低速爬行现象，在该技术方案的实际应用中取得了较好的实际应用效果，如实现了不补偿前转速需要达到10rpm的时候，速度才能具有较好的平顺性，补偿后该关节在1rpm的时候也能平顺运行。

附图说明

图1是本发明的抑制机器人关节低速爬行的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

实施例一：

如图1所示，一种抑制机器人关节低速爬行的方法，用以解决工业机器人的关节电机以极低速运行时由于存在电机后端带减速机也会受到摩擦力、安装精度等非线性影响，造成的机器人关节速度抖动式前进，即出现“爬行”现象，导致的机器人运行中出现的造成零部件加工的毛刺、碰到工件边缘等问题。

本实施例中，抑制机器人关节低速爬行的方法具体包括以下步骤：

步骤1.设置关节电机以设定的转速开始运行，初次运行时是以可运行的最低转速ω_r开始运行。本实施例中，将关节电机以1rpm转速开始运行。

步骤2.采样关节电机的转速波形，计算关节电机运行的加速度。

本实施例中计算关节电机运行的加速度时具体为，如根据采集的转速波形，获取当前关节电机的转速ω_f，若此时关节电机以运行一段时间t，则关节电机运行的加速度α＝(ω_f-ω_r)/t。

步骤3.当关节电机以当前转速运行一段时间T(T一般为10ms或20ms)后，计算时间段T内，加速度的最大值α_max、最小值α_min、平均值α_avg，及在该时间段内关节电机的转速的最大值ω_fmax、最小值ω_fmin、平均值ω_favg。

步骤4.判定当前电机的转速是否满足要求，若满足则说明该关节电机不需进行扭矩补偿，若不满足则进入下一步，具体为：

步骤4.1.将速度反馈平均值与指令值的误差记为E_w且E_ω＝ω_favg-ω_r，计算速度误差占比D_err，

判定误差占比D_err是否大于最大误差占比。

本实施例中，最大误差占比为50％，考虑到编码器分辨率一般为17位，低速情况下速度测量本身误差，最大误差占比的取值可适当放大一些，通过实际测试取值50％不影响最终测试效果。

步骤4.2.判定加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值是否大于差值阈值；一般加速度的平均值α_avg越接近于0说明该关节电机越趋近于不需进行扭矩补偿。

步骤4.3.判定加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值是否大于预设加速度阈值。

本实施例中，预设加速度阈值为14000rad/s²；预设加速度阈值的设定需要根据编码器分辨率和精度计算，如一般编码器分辨率为17位，一般在电机不动的时候编码器码值也会有约2个码值的波动，假设在相邻两个控制周期(100us)刚好采样到波动前后的码值，那么计算得到该状态下计算得到的加速度为9582.5rad/s²，考虑到采样误差和速度平稳性，此处限制放大1.5倍，取值14000rad/s²，实际中，上述的最大误差占比及预设加速度阈值也可根据实际情况设定。

步骤4.4.若上述步骤4.1至4.3的判断结果均为不大于则说明该关节电机不需进行扭矩补偿，否则，进入下一步。

步骤5.给关节电机补偿额定扭矩的1％～10％的冲击扭矩，每隔1毫秒冲击一次，并重复步骤1至3，再判定当前运行速度下：判定误差占比D_err是否大于最大误差占比、加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值是否大于差值阈值、加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值是否大于预设加速度阈值。

具体的，考虑到电机的摩擦力矩和减速机摩擦力矩的影响，这个影响值一般都大于了电机额定扭矩的10％，冲击力矩是不带迭代增加的，因此也需要尽可能的细化档位，从而保障补偿的准确性，因此冲击力矩取值可取范围为1％-10％。具体的，本实施例中，设定每次提高额定扭矩的5％的冲击扭矩，直到计算得到的转速满足相关要求。

同时，低速爬行主要还是由电机和减速机的静摩擦力不固定带来的，为尽可能减小冲击力矩的带来的振动感，冲击频率应该大于500HZ，但有因为冲击力也需要至少作用约5个控制周期(500us)，因此冲击频率取值应为500HZ到2000HZ之间，此处取1000HZ，因此冲击间隔时间为1ms。

步骤6.若步骤5判定结果为大于则返回步骤5继续进行补偿冲击扭矩，否则，将当前的关节电机补偿的冲击扭矩值T_1rpm记为关节电机在转速1_rpm下需要补偿的冲击扭矩值，并进入下一步；

步骤7.将关节电机的转速在原转速基础上每次增加1_rpm，重复步骤1至6，直至在未补偿冲击扭矩之前关节电机即满足运行一段时间T内转速的误差占比D_err不大于最大误差占比、加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值不大于差值阈值、加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值均不大于预设加速度阈值为止；并将在此之前需要进行冲击扭矩补偿的速度区间记为ω_cL到ω_cH；并记录该关节电机在此速度区间内各转速下需要补偿的冲击扭矩值分别记为T_1rpm、T_2rpm、T_3rpm…，最终得出扭矩转速补偿对照表。

步骤8.实际运行关节电机，且当关节电机的实际转速落入需要补偿的速度区间ω_cL到ω_cH时，根据扭矩转速补偿对照表对关节电机进行冲击扭矩补偿。

采用上述方法步骤，本实施例中使得工业机器人实现了不补偿前转速需要达到10rpm的时候，速度才能具有较好的平顺性，补偿后该关节在1rpm的时候也能平顺运行。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种抑制机器人关节低速爬行的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.设置关节电机以设定的转速开始运行，初次运行时是以可运行的最低转速ω_r开始运行；

B.采样关节电机的转速波形，计算关节电机运行的加速度；

C.统计运行一段时间T内，加速度的最大值α_max；所述步骤C中还包括计算运行一段时间T内，加速度的最小值α_min、平均值α_avg，及在该时间段内关节电机的转速的最大值ω_fmax、最小值ω_fmin、平均值ω_favg；

D.判定所述加速度的最大值是否大于预设加速度阈值，若不大于则说明该关节电机不需进行扭矩补偿，若大于则进入步骤E；所述步骤D具体为：

D1.将速度反馈平均值与指令值的误差记为E_w且E_ω＝ω_favg-ω_r，计算速度误差占比D_err，

判定误差占比D_err是否大于最大误差占比；

D2.判定加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值是否大于差值阈值；

D3.判定加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值是否大于预设加速度阈值；

D4.若均不大于则说明该关节电机不需进行扭矩补偿，否则进入步骤E；

E.给关节电机补偿额定扭矩的a％的冲击扭矩，每隔m毫秒冲击一次，并重复步骤A至C，再判定此时的加速度的最大值是否大于预设加速度阈值；

F.若大于则返回步骤E，否则，将当前的关节电机补偿的冲击扭矩值T_1rpm记为关节电机在转速ω_r下需要补偿的冲击扭矩值，并进入步骤G；

G.将关节电机的转速在原转速基础上增加ω_r，重复步骤A至F，直至在未补偿冲击扭矩之前关节电机即满足运行一段时间T内转速的加速度的最大值不大于预设加速度阈值，从而得出在需要补偿的转速区间内各转速下对应需要补偿的冲击扭矩值，并得出扭矩转速补偿对照表；

H.实际运行关节电机时根据所述扭矩转速补偿对照表对关节电机进行冲击扭矩补偿。

2.根据权利要求1所述的一种抑制机器人关节低速爬行的方法，其特征在于，所述步骤E具体为：

E1.给关节电机补偿额定扭矩的a％的冲击扭矩，每隔m毫秒冲击一次，并重复步骤A至C；

E2.判定当前运行速度下：判定误差占比D_err是否大于最大误差占比、加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值是否大于差值阈值、加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值是否大于预设加速度阈值；

所述步骤G具体为：

G1.将关节电机的转速在原转速基础上增加ω_r，重复步骤A至F；

G2.直至在未补偿冲击扭矩之前关节电机即满足：运行一段时间T内转速的误差占比D_err不大于最大误差占比、加速度的平均值α_avg与0的差值的绝对值不大于差值阈值、加速度的最大值α_max和最小值α_min的绝对值均不大于预设加速度阈值为止；

G3.得出在需要补偿冲击扭矩的转速区间内各转速下对应需要补偿的冲击扭矩值，并得出扭矩转速补偿对照表。

3.根据权利要求1所述的一种抑制机器人关节低速爬行的方法，其特征在于，所述最大误差占比为50％，所述预设加速度阈值为14000rad/s²。

4.根据权利要求1所述的一种抑制机器人关节低速爬行的方法，其特征在于，所述最低转速ω_r为1rpm。

5.根据权利要求4所述的一种抑制机器人关节低速爬行的方法，其特征在于，1≤a≤10。

6.根据权利要求5所述的一种抑制机器人关节低速爬行的方法，其特征在于，a等于5。

7.根据权利要求5所述的一种抑制机器人关节低速爬行的方法，其特征在于，m等于1。

8.根据权利要求1至7中任一所述的一种抑制机器人关节低速爬行的方法，其特征在于，T等于10ms或20ms。

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