CN111055285A - 一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法，采用基于关节运动方程的负载力矩增量补偿的控制方法，属于仿人柔性手臂控制领域。所述方法包括：针对仿人柔性关节手臂因负载突变引起运动过程中关节振动的问题，提出一种负载力矩增量补偿的控制方法，并以零转角加速度、零转角增量为控制目标构建柔性关节系统变负载时的控制方程。本发明方法通过负载力矩增量补偿避免了柔性关节机械臂在变负载时产生的转角加速度，从而避免了负载突变时柔性关节机械臂的振动问题。相较于其他振动抑制方法，在不增加额外硬件结构和复杂算法的前提下，实现了变负载工况下仿人柔性关节机械臂的振动抑制，提高了仿人柔性手臂的适应性和实用性。

Description

一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法

技术领域

本发明涉及仿人柔性手臂控制领域，具体提供一种适用于负载突变时的仿人柔性关节手臂振动抑制方法。

背景技术

随着工业现场的复杂度增加、航空航天领域的不断发展以及机器人在服务产业中的应用，机械臂的工作任务逐渐从原本的粗放操作任务转变为无预设环境的接触性任务。与传统刚性机械臂相比，仿人柔性手臂具备了更好地模仿人类手臂的“柔顺性”的能力，可以更好地适应复杂的作业环境；然而，更复杂的任务环境和作业目标也使仿人柔性手臂需要时刻应对系统负载的变化。受柔性元件固有特性的约束，柔性关节自身阻尼低、稳定性差，易受外界干扰，这意味着如果柔性关节在运动过程中发生状态突变，会产生长时间较大幅值的结构振动，且难以在短时间内依靠自身结构阻尼恢复平稳。若不对负载突变引起的振动加以控制，会明显降低柔性关节对变负载工况的适应能力，影响柔性臂的控制精度、作业效率及使用寿命。传统的振动抑制方式分为主动控制和被动控制，多数解决方案从改变关节硬件结构或采用复杂控制算法这两种方式来应对关节振动，但此类方案存在硬件设计要求高、结构复杂等问题，以及算法实现困难、运算过程繁杂等问题，难以较好的解决仿人柔性手臂振动抑制问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法，主要解决含有柔性元件的仿人柔性关节手臂在负载突变时的振动问题。本发明基于负载力矩增量补偿的方法，在不引入额外硬件结构的基础上，通过控制驱动电机产生补偿力矩增量以抵消负载力矩增量，避免在负载突变后产生手臂转角加速度，从而有效抑制负载突变带来的振动问题；其技术内容包括：

一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法，采用基于负载力矩增量补偿的方法对仿人柔性手臂振动过程进行抑制；其特征在于：

所述基于负载力矩增量补偿控制的方法，当产生负载力矩增量

时，以手臂转角加速度

手臂运动转角增量△θ＝0为期望控制目标，控制方程表示为：

其中，

为应对负载变化而产生的扭转弹簧弹性力矩增量；

为负载力矩；k为关节扭转弹簧刚度系数；R_f为连杆旋转摩擦系数；1/n为关节谐波减速器减速比；θ₁为关节驱动电机输出转角；θ、

分别为手臂连杆转角、转速；

在△θ＝0的期望控制目标下，

完全由电机输出转角增量提供：

其中，△θ₁为关节驱动电机端输出转角增量；

所述控制方法的具体实施包括以下步骤：

步骤一、建立仿人柔性关节手臂连杆的运动学一般方程，以获取连杆运动加速力矩、关节弹性力矩、负载重力矩的平衡关系；

步骤二、建立系统静止或匀速状态下连杆零加速力矩运动学方程，以获取在负载力矩不变的情况下，关节弹性力矩与负载力矩的平衡关系；

步骤三、以步骤二建立的运动学方程为基础，在负载力矩增量为

时，以手臂转角加速度

手臂运动转角增量△θ＝0为期望控制目标，通过负载力矩增量补偿的控制方法，建立手臂连杆新的运动学方程；

步骤四、在步骤三建立的控制方程基础上，构建基于负载力矩增量补偿控制的控制器结构；根据检测的负载变化后的负载力矩，通过力矩反馈解算为当前负载力矩状态下驱动电机的转速给定值；根据驱动电机转速给定值，实现电机调速控制，改变输出转角，相应调整关节扭转弹簧的弹性力矩，平衡负载力矩增量，完成控制。

本发明的有益之处在于，当柔性关节机械臂末端负载发生突变时，该控制方法通过控制驱动电机调节输出转角增量，改变扭转弹簧电机端的旋进量，在弹簧连杆端产生与负载力矩增量大小相等、方向相反的力矩增量。该过程没有改变扭转弹簧连杆端的相对位置，不存在手臂连杆转角变化和转角加速度变化，因此不会引起关节振动。

该方法理论上可以在维持手臂连杆转动角度和角加速度不变的情况下，使变负载系统达到新的平衡。从而避免了负载突变引起的手臂稳态情况下角加速度的突变和扭转弹簧不可控的阻尼振荡，进而抑制了负载突变时柔性关节机械臂的振动问题。该方法不增加额外硬件结构，且控制过程实现简单，较现有的仿人柔性关节手臂变负载振动抑制方法有较明显优势。

附图说明

图1是基于负载力矩增量补偿的仿人柔性关节手臂振动抑制方法系统框图；

图2是典型柔性关节结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法，采用基于负载力矩增量补偿的方法对仿人柔性手臂负载突变产生的振动过程进行抑制。负载力矩增量补偿的仿人柔性关节手臂振动抑制方法系统框图如图1所示。采集负载力矩变化量为控制器输入信号，采用力矩补偿控制方法对检测信号进行计算后，得出驱动电机相应的转角增量信号，信号作为指令值输入到驱动器，以相应调节驱动电机运行状态。具体实施步骤如下：

步骤一、以获取连杆运动加速力矩、关节弹性力矩、负载重力矩的平衡关系；

根据图2所示典型柔性关节结构示意图，采用拉格朗日动力学方程法建立柔性关节模型；

考虑驱动电机粘滞系数B_v和关节旋转系数R_f，系统动力学方程为：

其中，J_n为机转子转动惯量；J_r为谐波减速器柔性轮及输出转轴转动惯量；ρ、A、l为手臂连杆物理参数，分别为连杆材料密度、连杆截面积、连杆长度；m_l为连杆末端负载质量；k为关节扭转弹簧刚度系数；1/n为关节谐波减速器减速比；θ₁为关节驱动电机输出转角；θ、

分别为手臂连杆转角、转速以及转角加速度；

为负载力矩；τ_drive为驱动电机输出的驱动力矩；

动力学方程组中的第一个方程表示的是仿人柔性关节系统驱动环节的力矩平衡关系，可以看出，当系统保持匀速运动时，关节力矩与关节弹性力矩相平衡，同时也表明，控制驱动电机输出力矩，就可以实现柔性关节系统运动状态的控制；第二个方程表示系统手臂连杆的运动方程，手臂连杆与负载的加速力矩平衡于关节弹性力矩与负载重力矩之和，同样，当系统保持匀速运动时，手臂及负载的加速力矩为零，关节弹性力矩与负载重力矩相平衡，两者大小相等、方向相反；

当负载力矩突变时，瞬时弹性力矩不变，根据手臂运动方程，系统产生加速力矩以平衡负载力矩增量；手臂加速过程中，手臂转角θ改变，电机输出转角不变，因此弹性力矩随手臂不受控的加速运动而发生变化，系统通过弹簧的阻尼振荡过程达到新的力矩平衡。因弹簧属于典型二阶欠阻尼元件，所以在弹性力矩发生变化的过程中，弹簧呈现振荡衰减的状态，进而导致手臂连杆抖动；

所以，只要保持负载变化后的手臂运动方程中加速力矩项仍为零，通过相应改变弹性力矩得瞬时增量，就可以避免加速力矩与弹性力矩相互作用、振荡衰减的过程，从而达到抑制负载突变带来的振动问题；

步骤二、基于上述分析，建立系统静止或匀速运动状态下，手臂连杆转角加速度为零时的连杆运动学方程，以获取在负载力矩不变的情况下，关节弹性力矩与负载力矩的平衡关系：

当系统静止或匀速运动时，手臂连杆运动加速力矩为零，忽略摩擦力矩的前提下，负载力矩与关节弹性力矩大小相等、方向相反，即关节弹性力矩提供了负载匀速运动的平衡力矩；

步骤三、在步骤二建立的匀速状态下连杆零加速力矩运动学方程的基础上，以手臂转角加速度

手臂运动转角增量△θ＝0为期望控制目标，通过负载力矩增量补偿的控制方法，建立手臂连杆新的运动学方程：

式中，

为应对负载变化而产生的扭转弹簧弹性力矩增量。负载变化后系统新的力矩平衡过程，由弹簧的弹性力矩变化量直接抵消负载力矩的变化，从而避免了负载力矩的变化产生连杆加速力矩的动态平衡过程，达到避免手臂抖动的目的。

在△θ＝0的期望控制目标下，

完全由电机输出转角增量提供：

所以，基于负载力矩增量补偿控制方法的柔性关节机械臂运动方程为：

步骤四、在步骤三建立的控制方程基础上，构建基于负载力矩增量补偿控制的控制器结构；根据检测的负载变化后的负载力矩，通过力矩反馈解算为当前负载力矩状态下驱动电机的转速给定值；根据驱动电机转速给定值，实现电机调速控制，改变输出转角，相应调整关节扭转弹簧的弹性力矩，平衡负载力矩增量，完成控制。

当柔性关节机械臂末端负载发生突变时，该控制方法通过控制驱动电机调节输出转角增量，改变扭转弹簧电机端的旋进量，在弹簧连杆端产生与负载力矩增量大小相等、方向相反的力矩增量。该过程没有改变扭转弹簧连杆端的相对位置，不存在手臂连杆转角变化和转角加速度变化，因此不会引起关节振动。

该方法理论上可以在维持手臂连杆转动角度和角加速度不变的情况下，使变负载系统达到新的平衡。从而避免了负载突变引起的手臂稳态情况下角加速度的突变和扭转弹簧不可控的阻尼振荡，进而抑制了负载突变时柔性关节机械臂的振动问题。

Claims (1)

1.一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法，采用基于负载力矩增量补偿的方法对仿人柔性手臂振动过程进行抑制；其特征在于：

所述基于负载力矩增量补偿控制的方法，当产生负载力矩增量

时，以手臂转角加速度

手臂运动转角增量△θ＝0为期望控制目标，控制方程表示为：

其中，

为应对负载变化而产生的扭转弹簧弹性力矩增量；

为负载力矩；k为关节扭转弹簧刚度系数；R_f为连杆旋转摩擦系数；1/n为关节谐波减速器减速比；θ₁为关节驱动电机输出转角；θ、

分别为手臂连杆转角、转速；

在△θ＝0的期望控制目标下，

完全由电机输出转角增量提供：

其中，△θ₁为关节驱动电机端输出转角增量；

所述控制方法的具体实施包括以下步骤：

步骤一、建立仿人柔性关节手臂连杆的运动学一般方程，以获取连杆运动加速力矩、关节弹性力矩、负载重力矩的平衡关系；

步骤二、建立系统静止或匀速状态下的连杆运动学方程，以获取在负载力矩不变的情况下，关节弹性力矩与负载力矩的平衡关系；

步骤三、以步骤二建立的运动学方程为基础，在负载力矩增量为

时，以手臂转角加速度

手臂运动转角增量△θ＝0为期望控制目标，通过负载力矩增量补偿的控制方法，建立手臂连杆新的运动学方程；

步骤四、在步骤三建立的控制方程基础上，构建基于负载力矩增量补偿控制的控制器结构；根据检测的负载变化后的负载力矩，通过力矩反馈计算为当前负载力矩状态下驱动电机的转速给定值；根据驱动电机转速给定值，实现电机调速控制，改变输出转角，相应调整关节扭转弹簧的弹性力矩，平衡负载力矩增量，完成控制。

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