CN111230889B - 一种调节变负载机器人关节位置的控制方法及系统 - Google Patents

一种调节变负载机器人关节位置的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种调节变负载机器人关节位置的控制方法及系统，通过引入动态力补偿法，结合PD调节，实现了带有变负载关节的精确位置闭环控制。本发明解决了变负载机器人关节轨迹跟踪时常见的稳态误差大、跟踪滞后等问题，有效提高了变负载机器人关节位置闭环的精度。

Description

一种调节变负载机器人关节位置的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人关节的控制，尤其涉及一种调节变负载机器人关节位置的控制方法及系统。
背景技术
随着人工智能与互联网的快速发展，智能机器人技术得到了突飞猛进的发展，智能机器人被广泛应用于教育、工业、医疗、交通、安防、电力等诸多领域，体现出广阔的应用场景与发展空间。机械臂作为智能机器人的重要组成部件，其能否准确地进行轨迹跟踪直接影响着机器人的工作能力和效率。现有的要求运动能力较强的机器人通常质量分布均匀，各关节驱动的负载分散且较小。在不均匀大负载的轨迹跟踪控制方法中，目前大多采用简单的PD控制，或是补偿了重力之后的PD控制。这两种方法对于关节摩擦力大且各位置摩擦力分布有差异的情况，难以实现高精度的轨迹跟踪。
目前，机械臂轨迹跟踪的主要控制方法有PD控制、变结构控制、自适应控制、计算力矩控制。PD控制是一种经典的控制方法，其基于输入控制系统的误差量进行调节，算法简单易于实现。在应用中，为使机械臂快速准确跟随轨迹，参数P和D设置的较大，这使得机械臂关节的初始力矩较大，容易超出机械臂的承受范围。变结构控制是一种非线性控制方法，属于鲁棒控制。这种方法不需要在线辨识，但变结构控制系统的设计会为系统带来“抖震”。自适应控制可以用带有未知参数的数学模型表示机械臂的数学模型并进行在线整定，但在实际应用中，非参数的不确定性加大了控制难度且跟踪效果不佳。计算力矩法是一种前馈控制方式，可根据预期轨迹实时调整力矩输出，但这种方法需要精确的数学模型，应用受到了限制。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种调节变负载机器人关节位置的控制方法及系统，无需准确数学模型，通过力矩反馈的动态力补偿法，实现了关节的位置精确控制。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种调节变负载机器人关节位置的控制系统，包括PD调节器和动态力补偿单元；将关节角和期望角度之间的偏差作为PD调节器的输入，PD调节器的输出与动态力补偿单元的输出求和作为机器人关节的控制输入量，进而对机器人关节位置进行调控；所述动态力补偿单元的输入是机器人关节的关节力矩和关节角；所述机器人关节包括电机和关节，将控制输入量作为电机电流环的输入。
一种调节变负载机器人关节位置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：通过关节端编码器测量关节转角，得到实时负载重力矩g(q)；
步骤2：通过关节力传感器测量关节力矩，运用动态力补偿法，调节动态力补偿系数Kt；
步骤3：基于动态力补偿系数Kt获得PD调节量x，进而对位置误差进行PD调节，使得关节能够准确跟随期望轨迹。
进一步，获得实时负载重力矩的方法为：测量出了关节的转角q，并根据负载质心与关节距离r和负载质量m得到实时负载重力矩：g(q)＝mgrsin(q)。
进一步，步骤2中通过测量出了关节的力矩τ，并根据实时负载重力矩g(q)进行动态力矩补偿，控制率为：τd＝τ+Kt(g(q)-τ)，Kt在0～1之间调节。
进一步，根据控制率得到PD调节量：
Figure BDA0002414247140000021
进而对位置误差进行PD调节，调节P、D参数值，使得关节位置跟随准确，其中，M为负载转动惯量，B为电机惯量，Kt为动态力补偿系数，
Figure BDA0002414247140000022
为离心力和哥氏力，
Figure BDA0002414247140000023
为电机转动的加速度，
Figure BDA0002414247140000024
是关节转角加速度，τf为关节摩擦力矩。
有益效果：
1、本发明针对机器人关节处于不同转角时负载产生的转矩变化大的特点，使用引入了力矩反馈的动态力补偿法，实现了关节的位置精确控制。
2、本发明方法的PD调节量是一个较小的值，在负载变化时，主要的力矩由动态力补偿法通过电流环直接补偿，使得位置控制更加精确。
3、本方法不需要预先知道系统的数学模型，控制率简单，易于调节，不改变原有系统的结构。
附图说明
图1展示了本发明关节模型示意图；
图2展示了本发明系统控制框图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种调节变负载机器人关节位置的系统，包括PD调节器和动态力补偿单元；将关节角和期望角度之间的偏差作为PD调节器的输入，PD调节器的输出与动态力补偿单元的输出求和作为机器人关节的控制输入量，进而对机器人关节位置进行调控；所述动态力补偿单元的输入是机器人关节的关节力矩和关节角；所述机器人关节包括电机和关节，将控制输入量作为电机电流环的输入。
基于本申请所设计的调节变负载机器人关节位置的系统，本发明还提出了一种调节变负载机器人关节位置的控制方法，具体过程如下：
本发明所针对的机器人关节由交流永磁同步电机、行星齿轮减速器、力矩传感器和负载组成，考虑减速器和力矩传感器的微小变形，可将其简化为一弹簧，关节整体模型示意图如1所示，因此，机器人关节力矩传递表达式可由下式表示：
Figure BDA0002414247140000031
其中，τm为交流永磁同步电机输出力矩，τf为关节摩擦力矩，τ为柔性部分传递到负载端的力矩，K为等效刚度系数，B为电机惯量，M为负载转动惯量，
Figure BDA0002414247140000032
为离心力和哥氏力，g(q)为实时负载重力矩，根据负载质心与关节距离r和负载质量m得到g(q)＝mgrsin(q)，q为关节的转角，
Figure BDA0002414247140000033
分别为q的一阶、二阶导数；θ为电机的转角；
Figure BDA0002414247140000034
为电机转动的加速度。
由上式(1)得到交流永磁同步电机的输出扭矩为:
Figure BDA0002414247140000035
若完全使用传统的PD调节方法，则PD调节量为τm。
本方法引入动态力补偿法，首先采集关节力矩传感器测量出的关节力矩τ然后利用动态力补偿法，即根据实时负载重力矩g(q)进行动态力矩补偿，得到控制率为：
Figure BDA0002414247140000036
其中，x为PD调节量，Kt为动态力补偿系数；g(q)为实时负载重力矩；τd为补偿的动态力，计算出τd后，电机输出扭矩与电流有如下关系：τm＝K*I，其中τm为电机输出扭矩，I为电机q轴电流；
根据这以上关系可将τd直接转换成电流值，作为电流环给定值的一部分。
将式(3)代入联立方程，可得到PD调节量x：
Figure BDA0002414247140000041
其中，当Kt为0～1的参数，负载重力已被完全补偿，且Kt越接近于0，PD调节量中负载惯性力部分和离心力、哥氏力部分越小，调节效果也就越好。
本发明的控制框图如图2所示，本发明一种调节变负载机器人关节位置的系统的工作过程如下：将关节角θ和期望角度θd之间的偏差进行PD调节，将PD调节的输出与动态力补偿单元的输出求和作为电机电流环的输入值，通过电机对关节进行控制；同时，采集此时关节的τ和θ，将τ和θ作为动态力补偿单元的输入。本发明方法的PD调节量是一个较小的值，在负载变化时，主要的力矩由动态力补偿法通过电流环直接补偿，使得位置控制更加精确。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种调节变负载机器人关节位置的控制方法，其特征在于，通过关节端编码器测量关节转角，得到实时负载重力矩g(q)；通过关节力传感器测量关节力矩，运用动态力补偿法，调节动态力补偿系数Kt；基于动态力补偿系数Kt获得PD调节量x，进而对位置误差进行PD调节，使得关节能够准确跟随期望轨迹；
获得实时负载重力矩的方法为：测量出了关节的转角q，并根据负载质心与关节距离r和负载质量m得到实时负载重力矩：g(q)＝mgrsin(q)；
通过测量出了关节的力矩τ，并根据实时负载重力矩g(q)进行动态力矩补偿，控制率为：τd＝τ+Kt(g(q)-τ)，Kt在0～1之间调节；τd为补偿的动态力。
2.根据权利要求1所述的一种调节变负载机器人关节位置的控制方法，其特征在于，根据控制率得到PD调节量：
Figure FDA0002965525420000011
进而对位置误差进行PD调节，调节P、D参数值，使得关节位置跟随准确，其中，M为负载转动惯量，B为电机惯量，
Figure FDA0002965525420000012
为离心力和哥氏力，
Figure FDA0002965525420000013
为电机转动的加速度，
Figure FDA0002965525420000014
是关节转角加速度，τf为关节摩擦力矩。
3.一种基于权利要求1-2中任意一项权利要求所述调节变负载机器人关节位置方法的控制系统，其特征在于，包括PD调节器和动态力补偿单元；将关节角和期望角度之间的偏差作为PD调节器的输入，PD调节器的输出与动态力补偿单元的输出求和作为机器人关节的控制输入量，进而对机器人关节位置进行调控；所述动态力补偿单元的输入是机器人关节的关节力矩和关节角；所述机器人关节包括电机和关节，将控制输入量作为电机电流环的输入。
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Assignee: GUIZHOU AEROSPACE LINQUAN MOTOR Co.,Ltd.

Assignor: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980016955

Denomination of invention: A control method and system for adjusting joint position of variable load robot

Granted publication date: 20210430

License type: Common License

Record date: 20211230

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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200605

Assignee: SHANDONG SHUAIKE MACHINERY MANUFACTURING Co.,Ltd.

Assignor: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980000077

Denomination of invention: A control method and system for adjusting joint position of variable load robot

Granted publication date: 20210430

License type: Common License

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