CN111347422B - 一种提高机器人关节精度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高机器人关节精度的控制方法，该控制方法保留关节电机侧的编码器作为第一测量系统，将关节负载侧光栅传感器作为第二测量系统引入速度环控制，将第一测量系统和第二测量系统的转速测量值加权耦合，共同作为速度环闭环反馈信息。在该引入光栅传感器的速度环反馈中，相较于单独使用电机侧的编码器的速度环反馈，降低了设定转速与实际转速差值，能够获得较高的速度环增益，可有效提高工业机器人在数控加工等对轨迹要求较高的应用场合的运动精度，利于工业机器人对航空、航天等领域的大型弱刚性特征构件的高效、高精度加工。

Description

一种提高机器人关节精度的控制方法

技术领域

本发明属于工业机器人控制领域，涉及一种提高工业机器人关节高精度动态特性的控制方法，该控制方法用于提高工业机器人关节动态特性，可有效提高工业机器人在数控加工等对轨迹要求较高的应用场合的运动精度，适用于工业机器人对航空、航天等领域的大型弱刚性特征构件的高效、高精度加工。

背景技术

随着我国在重大结构件制造领域的需求增加，其高精度、高柔性的制造特点对加工装备提出了新的挑战。如直径大于3米、长度大于10米的大型密封舱结构，为保证其功能和精度满足设计指标要求，需整体进行加工，现有机床难以满足加工范围的要求，大型构件的高效高精度制造成为制约我国高端制造业发展的主要瓶颈。基于移动式机器人加工的制造模式为实现大型构件的整体加工提供了新的思路。当工业机器人应用于较高精度的作业任务时(例如铣削、装配等工作)，其对定位精度的要求较高。此时，如果只使用机器人关节驱动电机尾部的编码器进行关节转动角度的测量，其测量精度无法满足任务需求。这是因为关节上驱动电机在驱动关节运动时，使用了减速比很大的行星齿轮减速器或RV减速器，而这些减速器在启动时因为其机械结构内部是带有一定间隙的，因此，其过程一定是超前于关节实际的转动角度。要想得到高精度的关节转动角度，则需要直接对关节的转动角度进行测量，补偿机器人关节传动机构存在的回差，当前的方法是基于关节轴上的附加高精度测量传感器，对关节转角误差进行补偿，实现对机器人位置环闭环控制。

KUKA公司的ROBOT SENSOR INTERFACE可以允许将光栅尺接入机器人KRC4控制器上，实现位置的精确定位。但KUKA公司的控制方法仍然是将电机后面安装的编码器作为位置环控制，增加的光栅尺只是将其作为位置的“微调”，并非将光栅反馈的角度位置与控制器设定的计算位置相减，以此作为三环控制中“速度环”中设定速度的输入，这样就导致执行速度上的滞后，执行周期通常都在4-16ms。对于机器人中常用的目标点定位，或者轨迹精度要求不高的打磨等可使用这种方法，具有严格周期要求的轨迹插补则难以胜任。

针对机器人关节存在回差间隙所导致的转角误差问题，还可采用的方法是在机器人各关节安装绝对式光栅尺的方法，通过上位机读取多个光栅反馈信号，并建立上位机与机器人的实时交互环境，将机器人关节的转角修正值修正到目标值，从而实现机器人位置的补偿。但该种方法仅仅只是对机器人末端绝对定位精度进行了提高，并没有考虑到机器人的轨迹精度，且在该方法中机器人关节的速度环由于仅仅使用电机侧编码器进行速度反馈，关节回差间隙会导致电机转速和关节实际转速不一致，转角速度反馈较实际转角速度滞后，当回差间隙由于关节齿轮运动消除时，过大的速度环增益容易引起超调，不适合将机器人运用于诸如铣削加工的对轨迹要求高的加工过程中。

发明内容

本发明要解决的技术问题：(1)由于机器人关节减速器回差间隙和阻尼的存在，使得电机在开始转动时，采用电机侧安装的编码器作为位置环控制时，由于关节转角存在一定的滞后，该方法难以实现对机器人关节的精确测量和控制；(2)当在工业机器人关节安装两套转角测量系统，其中一套安装在电机侧用于测量电机的转动速度，另一套安装在负载侧用于测量机器人关节直接转动的速度和角度时，为了确保系统稳定运行，不能设定较大的速度环增益，否则关节会发生剧烈抖动(系统超调)，使得系统的动态性能发生下降的问题。特别是对于重量较大的轴(如六轴工业机器人A1-A3轴)，当速度环增益过大时机器人控制系统超调会导致剧烈的振动，故而只能减小其速度环增益，而同时较轻的轴(如六轴工业机器人A4-A6轴)则可以设定较大的速度环增益，由此速度环增益值不同导致各轴动态性能不一致，从而降低轨迹精度。

为克服上述至少一种现有的基于关节反馈的机器人位置补偿轨迹精度不足的问题，本发明提供一种提高机器人关节精度的控制方法。该方法基于编码器混合控制(是指在使用电机编码器的情况下，同时以光栅传感器作为第二编码器)的方式，引入双闭环系统提高工业机器人的轨迹精度。

本发明中方法在工业机器人关节设置了两套转角测量系统，其中，第一测量系统(电机编码器)安装在电机侧用于测量电机的转动速度，第二测量系统(绝对式光栅传感器)安装在负载侧，用于测量机器人关节直接转动的速度和角度。在位置环中，通过绝对式光栅传感器中的光栅尺和读数头的相对移动，来直接测量机器人的关节转动角度，位置反馈来自光栅传感器，位置环闭环反馈信息与位置指令信息通过位置控制器P的比例控制，输出速度指令作为速度环的输入，这样将实际的转角位置进行了反馈，满足实时性要求；在速度环中，将机器人关节绝对式光栅传感器(第二测量系统)引入速度环，通过对电机编码器测量值进行微分计算，得到电机侧电机的转速，实现第一测量系统速度反馈；通过对光栅传感器测量值进行微分计算，获得机器人关节实际转动速度，再通过齿轮传动系统计算比例因子(减速比)，得到光栅等效的电机转速，实现第二测量系统速度反馈，将第一测量系统和第二测量系统的转速测量值加权耦合(得到关节实际转速)，共同作为速度环反馈，与位置环输出的速度指令共同输入速度控制器PI，输出电流指令作为电流环输入。在该引入光栅传感器的速度环反馈中，相较于单独使用电机编码器的速度环反馈，降低了设定转速与实际转速差值，能够获得较高的速度环增益，可有效提高工业机器人在数控加工等对轨迹要求较高的应用场合的运动精度，利于工业机器人在诸如铣削加工等对轨迹要求高的加工过程中的应用，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供以下技术方案：

一种提高机器人关节精度的控制方法，该方法中机器人关节伺服电机采用位置环、速度环、电流环三环控制方式，具体包括以下步骤：

步骤(1)，测量系统设置：

将工业机器人关节电机侧的编码器作为第一测量系统，用于电机侧电机转速的测量；在工业机器人关节负载侧安装绝对式光栅传感器，其作为第二测量系统获得负载侧关节实际转角，通过微分变换获得负载侧关节转角速度，再通过减速器的减速比，换算后得到光栅等效的电机转速；

步骤(2)，位置环控制：

通过绝对式光栅传感器中光栅尺和读数头的相对移动，直接测量机器人关节的转动角度，其作为位置环闭环反馈信息，对关节的转角位置进行反馈；位置环闭环反馈信息与位置指令信息通过位置控制器P的比例控制，输出速度指令作为速度环的输入；

步骤(3)，速度环控制：

将机器人第二测量系统引入速度环，通过对电机编码器测量值进行微分计算，得到电机侧电机的转速，实现第一测量系统的速度反馈；通过对光栅传感器测量值进行微分计算，获得机器人关节实际转动速度，再通过减速比，得到光栅等效的电机转速，实现第二测量系统的速度反馈；将第一测量系统和第二测量系统的转速测量值加权耦合，共同作为速度环闭环反馈信息，其与速度指令信息输入速度控制器PI，输出电流指令作为电流环的输入。

进一步地，步骤(1)中，还包括光栅传感器的标定步骤：

将光栅传感器固定于机器人关节处后，以激光跟踪仪作为标定工具，将靶球安装于任何能够随该关节转动而移动的位置上，控制机器人进行大角度单关节运动，通过测定靶球移动获得关节实际转动角度，根据关节实际转动角度与读取的栅格数值，计算光栅尺栅格与实际转角的转换关系。

在控制机器人进行单关节运动时，控制机器人单关节正向转动和反向转动多次。

进一步地，步骤(3)中，采用转速加权系数ω实施第一测量系统和第二测量系统的转速测量值加权耦合，耦合后转速＝n_l×ω+n_m×(1-ω)，

其中，ω介于0～1之间，n_l为根据第二测量系统测定的转速；n_m为根据第一测量系统测定的转速。

根据本发明提供的一种提高机器人关节精度的控制方法，带来了有益的技术效果：

(1)现有技术中由于机器人关节减速器减速比较大，所以关节负载惯量与电机惯量的比值较大，产生的振动频率相对较低，在该情况下通常只能设置非常小的转速控制器增益。采用本发明中控制策略，应用编码器混合和位置差分反馈可将振动延长至较高频率(通过共振降低机器人振动)，生效的电机侧惯量提高且可以设置高转速控制器增益，保证各轴的动态性能一致，降低轨迹的跟随误差；

(2)相较于原有的基于关节位置反馈的机器人位置补偿方法，本发明基于编码器混合应用的双编码器测量系统，可以实现对机器人关节的位置环与速度环的双闭环测量，精度更高。

附图说明

图1示出本发明一种优选实施方式中高级位置控制策略示意图；

图2示出本发明中第二测量系统光栅传感器的安装示意图；

图3示出本发明实施例1中机器人关节精度测量与控制方法流程图；

图4示出本发明实施例1中速度环优化前后Bode图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

如图1所示，本发明提供了一种提高机器人关节精度的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)，测量系统设置：

将工业机器人关节电机侧的编码器作为第一测量系统，用于电机侧电机转速的测量；在工业机器人关节负载侧安装绝对式光栅传感器，其作为第二测量系统获得负载侧关节实际转角，通过微分变换获得负载侧关节转角速度，再通过减速器的减速比，换算后得到光栅等效的电机转速；

步骤(2)，位置环控制：

通过绝对式光栅传感器中光栅尺和读数头的相对移动，直接测量机器人关节的转动角度，其作为位置环闭环反馈信息，对关节的转角位置进行反馈；位置环闭环反馈信息与位置指令信息通过位置控制器P的比例控制，输出速度指令作为速度环的输入；

步骤(3)，速度环控制：

将机器人第二测量系统引入速度环，通过对电机编码器测量值进行微分计算，得到电机侧电机的转速，实现第一测量系统的速度反馈；通过对光栅传感器测量值进行微分计算，获得机器人关节实际转动速度，再通过减速比，得到光栅等效的电机转速，实现第二测量系统的速度反馈；将第一测量系统和第二测量系统的转速测量值加权耦合，共同作为速度环闭环反馈信息，其与速度指令信息输入速度控制器PI，输出电流指令作为电流环的输入；

电流环的反馈信息来源于机器人关节电机内部霍尔元件，不依赖于外部传感器进行测量反馈。

在本发明步骤(1)中，如图2所示，机器人关节处加装绝对式光栅传感器。光栅传感器安装于负载侧(负载侧是相对于编码器的电机侧而言的)，包括光栅尺和读数头，光栅尺的粘贴面为圆柱面不应有较大圆跳动，其以电机的轴为圆心，绕圆柱面粘贴为圆形；读数头与光栅尺的安装间距属于有效识别距离。

在本发明中，步骤(1)还包括光栅传感器的标定步骤：

将光栅传感器固定于机器人关节处后，以激光跟踪仪(如美国API公司的Radian激光跟踪仪)作为标定工具，将靶球安装于任何能够随该关节转动而移动的位置上，控制机器人进行大角度单关节运动，通过测定靶球移动获得关节实际转动角度，根据关节实际转动角度与读取的栅格数值，计算光栅尺栅格与实际转角的转换关系。

在控制机器人进行单关节运动时，应该保证在光栅传感器的有效量程内，进行大角度的单关节运动，并控制机器人单关节正向转动和反向转动多次，以消除单关节内部传动间隙对光栅传感器标定的影响。

机器人关节伺服电机控制方式采用三环控制方式，所述的三环控制是指，基于输入的位置指令，通过位置环、速度环、电流环的闭环反馈。

本发明中，为了控制工业机器人运动，基于给定的机器人末端的运动轨迹，通过机器人逆运动学和轴插补器运算，生成机器人各关节(如六轴工业机器人A1至A6关节)转动角度位置指令。通过对安装在机器人关节处的伺服电机进行运动控制，驱动伺服电机转动并最终达到所有关节的目标转角。

在本发明步骤(2)中，位置环闭环反馈信息来源于安装于机器人关节处的光栅传感器读数，相较于传统串联机器人关节位置信息来源于电机编码器而言，消除了由于齿轮传动系统安装误差造成的回差间隙等精度误差。位置环闭环反馈的信息与位置指令信息通过位置控制器P的比例控制，输出速度指令作为速度环的输入。对于多轴工业机器人(如六轴工业机器人)，基于给定的机器人末端笛卡尔空间运动轨迹，通过机器人逆运动学计算各关节(如A1至A6关节)转角的偏差，速度环输入通过机器人位置控制器P对各关节转角偏差插补计算获得。

本发明步骤(3)中，速度环闭环反馈信息来源于两套测量系统，第一套测量系统仍是伺服电机编码器，第二套测量系统是安装于机器人关节处的绝对式光栅传感器。其中，第一测量系统反馈速度通过对电机编码器测量值进行微分计算，反应的是电机侧电机的实际转速v_e。第二测量系统速度反馈通过对光栅传感器测量值进行微分计算，获得机器人关节侧电机实际转速，再通过齿轮传动系统即减速器的减速比，得到光栅等效的电机侧电机实际转速v_g，这个转速包含了齿轮传动系统间隙的信息，特别是电机刚刚启动或者换向时齿轮传动系统间隙的信息。

步骤(3)中使用了一个转速加权系数ω来调节两套测量系统的输出速度，得到对应于速度控制器中的实际速度值，ω介于0～1之间。在关节速度环反馈中有：

ε＝n_d-[n_l×ω+n_m×(1-ω)] (1)

ε＝f_dist/K_p (2)

式中：

ε为设定电机输入转速与实际测量转速之差；

n_d为电机的设定输入转速；

n_l为电机负载侧的测定转角值微分后转速；

n_m为电机侧电机的测定转速；

ω为对电机侧与负载侧综合速度的转速加权系数；

f_dist为轨迹跟踪速度误差

K_p为速度环增益。

通过将电机侧与负载侧的综合测量速度与设定转速差分，降低设定转速与实际转速差值，并获得较高的速度环增益。速度环增益高，速度环调整快，较快的速度环调整，利于对轨迹误差的快速弥补，进而利于提高机器人末端轨迹精度。

当ω＝0时，速度检测实际值完全由电机编码器反馈；当ω＝1时，速度检测实际值完全由机器人关节处光栅反馈。由于传动系统齿轮间隙的存在，在电机启动或是换向过程中，伺服电机编码器会立刻获取速度测量值，而此时机器人关节相邻连杆并未发生相对转动，光栅传感器的速度反馈值仍为0，第二测量系统得到的速度反馈会慢于第一测量系统，光栅读数头测得的关节转角存在一定的滞后，因此位置误差会变得很大。此时位置控制器认为，位置差很大，因此给与了一个很大的进给速度来消除这个误差，但很容易过快，实际位置又跑到了理论位置的前面，此时又往回纠正，遇到减速器反向间隙后，间隙反而更大了，位置控制器便得到更大的设定速度输入，由此来回反复，导致位置控制器超调。因此，只能设定一个很小的速度环增益，然而，减小速度环增益会降低位置控制器的动态性能，尤其对于轨迹精度要求高的机器人应用场景，会导致机器人轨迹精度的降低。

为此，本发明中控制方法在速度环中，设定转速加权系数ω，将机器人关节光栅引入速度环，将其与电机编码器的速度反馈共同作为速度环的反馈值，相较于单独使用电机编码器的速度环反馈，在引入光栅传感器后，能够更加准确的反应机器人关节转动的实际角速度，同时由于降低了设定转速与实际转速差值，能够得到较高的速度环增益，在提高响应速度的同时不会引起机器人控制系统超调导致的剧烈震动，利于实现轨迹精度的提高。

在本发明中，当机器人运行稳定时，负载侧第二测量系统测定的转速贡献大，ω大于1-ω；当机器人运行不稳定时，电机侧第一测量系统测定的转速贡献大，1-ω大于ω。

本发明中，步骤(2)中的位置控制器和步骤(3)中的速度控制器，共同实现对电机的闭环控制，机器人轨迹信息经逆运动学运算后获取机器人各关节转角信息，经插补运算后获取转角理论值输入轴驱动器中的位置控制器部分完成位置环闭环控制，位置控制器输出的速度指令为速度控制器的理论输入值，经速度控制器完成速度环的闭环控制。

实施例

实施例1

下面结合图3，对一种提高机器人关节精度的控制方法做出详细的应用说明。

于六轴工业机器人A1轴～A3轴关节外壳光洁处，如图2所示安装绝对式光栅传感器，传感器读数头安装于与光栅尺相对运动的关节外壳处，同时要保证读数头与光栅尺之间的有效采样距离。

对光栅传感器进行标定，启动机器人，控制机器人A1～A3轴进行单关节运动。由激光跟踪仪对机器人上随关节转动而具有相对移动的靶球进行位置跟踪，获得关节的实际转角。将关节实际转角与位置控制器所读取的传感器栅格数进行换算，得到实际每栅格所对应的角度。

为了获得精确的栅格与转角对应关系，单关节轴运动角度应在传感器量程内尽可能的大，同时应进行反向运动测量以消除传动间隙对测量的影响。对A1～A3轴进行单关节运动控制，由于串联式机械结构，会在末端放大误差效应。在本发明中，测试单关节转角为120°。控制A1轴首次转动120°时，系统在运动起始点光栅数值为21600，终止点光栅数值为203100，读取到的有效光栅格数为181500；从终止点反向运动120°后，读取到的栅格数数值为23100，有效光栅格数为180000，此时激光跟踪仪显示轨迹拟合后，实际转角为118°。在经过反复几次正反向120°单关节转动后，可以确定A1轴存在的传动间隙会造成末端2°的反向转角误差，且有效光栅格数始终为180000，去除反向间隙的影响后，实际转角118°与有效光栅格数180000对应，所以A1轴的绝对式光栅标定后系统分辨率为118°/180000＝0.00066°/栅格。其余A2、A3轴标定过程同A1。

在系统内部选择A1～A3轴的测量系统，在设置光栅传感器为第二测量系统的同时，要保留应用相对式编码器作为第一测量系统，以便对电机侧转速的读取。此时由光栅传感器可以实现前三轴的位置环闭环控制，光栅传感器及相对式编码器混合控制方案实现关节电机的速度环闭环控制。

启动机器人控制系统内部的定位控制策略，为了满足光栅传感器与电机编码器两测量系统直接与机器人控制系统通讯，本发明的机器人控制系统采用标准数控系统，能够实现双测量系统闭环控制，为提高机器人关节精度的控制提供了必要的硬件条件。

根据机器人厂商资料，将必要的关节电机参数、减速器参数输入到控制系统内部，通过控制系统对关节电机的识别，为双测量系统下的速度环增益(K_p)的设定提供了必要的基础。

对移动机器人进行驱动优化，以实现双测量系统下的关节电机稳定运行，生效的电机侧惯量提高且可以设置高速度环增益(K_p)，并通过与位置差分反馈组合使用，降低机器人的跟随误差，提高机器人的轨迹精度；

图1为高级定位控制策略实现示意图，通过光栅传感器将负载侧的实际转角测量值反馈给位置控制器实现对位置闭环控制；在将关节位置进行微分处理获得关节实际转速，再通过齿轮传动系统计算减速比，得到光栅等效的电机侧电机实际转速，与电机侧转速通过转速加权系数分配获得关节实际转速，将数值反馈于速度控制器，实现关节的速度环控制。

完成驱动优化，进行对数幅频特性曲线(Bode)图分析，以便对当前的速度环增益(K_p)是否最佳进行判断。图4为A1轴速度环优化后的频域特性曲线图，通过优化前后的曲线对比，可以发现优化后的幅频特性曲线零点更加靠后，对应频率更高，同时相频特性曲线中优化后的拐点频率更高，证明优化后的电机会衰减低频振动，增加系统对误差的快速响应，优化后的速度环增益(K_p)满足了提高关节精度的要求。A2轴、A3轴进行相同的分析。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种提高机器人关节精度的控制方法，其特征在于，该方法中机器人关节伺服电机采用位置环、速度环、电流环三环控制方式，具体包括以下步骤：

步骤(1)，测量系统设置：

将工业机器人关节电机侧的编码器作为第一测量系统，用于电机侧电机转速的测量；在工业机器人关节负载侧安装绝对式光栅传感器，其作为第二测量系统获得负载侧关节实际转角，通过微分变换获得负载侧关节转角速度，再通过减速器的减速比，换算后得到光栅等效的电机转速；将光栅传感器固定于机器人关节处后，以激光跟踪仪作为标定工具，将靶球安装于任何能够随该关节转动而移动的位置上，控制机器人进行大角度单关节运动，通过测定靶球移动获得关节实际转动角度，根据关节实际转动角度与读取的栅格数值，计算光栅尺栅格与实际转角的转换关系；

步骤(2)，位置环控制：

通过绝对式光栅传感器中的光栅尺和读数头的相对移动，直接测量机器人关节的转动角度，其作为位置环闭环反馈信息，对关节的转角位置进行反馈；位置环闭环反馈信息与位置指令信息通过位置控制器P的比例控制，输出速度指令作为速度环的输入；

步骤(3)，速度环控制：

将机器人第二测量系统引入速度环，通过对电机编码器测量值进行微分计算，得到电机侧电机的转速，实现第一测量系统的速度反馈；通过对光栅传感器测量值进行微分计算，获得机器人关节实际转动速度，再通过减速比，得到光栅等效的电机转速，实现第二测量系统速度反馈；将第一测量系统和第二测量系统的转速测量值加权耦合，共同作为速度环闭环反馈信息，其与速度指令信息输入速度控制器PI，输出电流指令作为电流环的输入。

2.根据权利要求1所述的提高机器人关节精度的控制方法，其特征在于，在控制机器人进行单关节运动时，控制机器人单关节正向转动和反向转动多次。

3.根据权利要求1所述的提高机器人关节精度的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，采用转速加权系数ω实施第一测量系统和第二测量系统的转速测量值加权耦合，耦合后转速＝n_l×ω+n_m×(1-ω)，

其中，ω介于0～1之间，n_l为根据第二测量系统测定的转速；n_m为根据第一测量系统测定的转速。

4.根据权利要求3所述的提高机器人关节精度的控制方法，其特征在于，当机器人运行稳定时，负载侧第二测量系统测定的转速贡献大，ω大于1-ω；当机器人运行不稳定时，电机侧第一测量系统测定的转速贡献大，1-ω大于ω。

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