CN111546329A - 一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法 - Google Patents

一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，包括输入模块、速度环控制器(1)、电流环控制器(3)、实际惯量负载(4)、补偿环节控制器B(6)、补偿环节控制器A(2)和理论惯量负载(5)；所述速度环控制器(1)连接所述电流环控制器(3)；所述电流环控制器(3)连接所述实际惯量负载(4)；所述实际惯量负载(4)连接所述补偿环节控制器B(6)；所述补偿环节控制器A(2)连接所述理论惯量负载(5)；所述理论惯量负载(5)连接所述补偿环节控制器B(6)。本发明的有益效果是：使得每一个关节伺服系统具有基本一致性的控制增益，达到基本一致性的动态性能。

Description

一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法
技术领域
本发明涉及机器人伺服驱动控制技术，特别涉及一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法。
背景技术
传统的伺服控制，需要先知道伺服电机端负载的负载惯量，然后依据该惯量大小给出控制环节的控制增益参数，以达到一定的控制性能。这种传统的控制方式如果应用到多关节的机器人本体上，调试难度增加，因为并不能精确的识别出各关节的等效惯量，即使某关节等效负载惯量被识别出，那么随着机器人姿态的动作变化，等效的惯量也会变化，那么原来设置好的控制参数也不适应新的工况条件了。这就造成机器人各关节动作性能的差异，以至于最终影响机器人整体性能。
因此，针对多关节机器人伺服这一应用领域，需要有针对性的或者特殊的控制策略或方法来适应这种特殊应用工况的需求。
如发明专利号为CN110083127A的专利就提出了一种在线识别关节伺服系统惯量的方法。在该发明中，通过获取各关节的实际转动位置确定关节执行电机端的负载惯量，然后根据各关节执行电机端的负载惯量确定各速度环的最优增益，最后根据各速度环的最优增益对各关节对应的伺服驱动器进行控制，从而克服了现有的应用精度低及响应慢的问题。本质上该发明是一种在线识别惯量进而设置控制环增益的方法，其关键点在于在线识别惯量，然而，在线识别惯量需要特定的运动轨迹要求，并非所有的伺服电机的工况都能适合这一要求，这是其一个缺点；另外，获取到的数据进行处理，然后根据算法得到惯量的值，再对控制环增益参数进行设置，这一处理过程对控制系统的数据处理能力及速度提出了很高的要求，要快速实现这一过程，并进而使得设置的控制环增益参数产生效果，这一计算过程本身存在滞后，这种滞后严重的话导致整个控制系统的崩溃，对系统稳定性产生极大影响，这是该发明的另外一种缺点。再者，该发明需要整个机器人的上位坐标系作为计算参考，这意味着单独的关节伺服系统并不能完成本发明的任务，需要上位机器人控制器的控制、处理并把计算结果分发给每一个关节伺服驱动器，这一过程增加了适用性难度及系统复杂度，这是该发明缺点之一。
又如，发明专利申请号为CN201811622861.8的专利提出了一种机器人伺服控制方法，其实质是在控制环路中施加了力矩前馈指令值对各关节伺服电机力矩进行前馈补偿，从而提高机器人在加减速阶段的动态跟踪性能。在本发明中，并没有对每一个关节伺服电机系统的惯量进行识别进而设置控制环路参数，其采用了另一种思路对控制性能进行补偿，进而从一定程度上补偿一定的动态性能。其关键点是要实时获取各关节电机的实际力矩作为前馈补偿的计算基础，而实际力矩的获取本发明是通过各关节的动力学参数结合速度规划得到，这需要上位机器人控制器速度规划数据的实时参与提供，这种处理方式以及得到实际力矩的精度具有不确定性，尤其在突加负载或者负载突变的情况下，容易造成实际力矩估算误差增大甚至失败，从而造成前馈补偿失败，反而造成系统不稳定，这是其缺点；另外，该发明在补偿较成功的前提下，对系统加减速过程具有作用，但可能对瞬时负载突变有效范围有限，并非能实时的动态的进行前馈补偿，使其应用效果受到一定限制。
故市场亟需一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，使得每一个关节伺服系统具有基本一致性的控制增益，达到基本一致性的动态性能，从而消除了多关节伺服系统的调节控制的短板，提高机器人伺服系统性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，本发明的技术方案是这样实施的：
一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，其特征在于：S0：初始化实际速度、理论速度；S1：输入模块产生给定速度；S2：所述给定速度与所述实际速度叠加并产生实际速度误差；S3：所述给定速度与所述理论速度叠加并产生理论速度误差；S4：所述实际速度误差赋值给速度环控制器(1)；S5：所述理论速度误差赋值给所述补偿环节控制器A(2)；S6：所述速度环控制器(1)根据所述实际速度误差生成相应的转矩指令；S7：所述转矩指令与补偿转矩指令叠加并赋值给所述实际转矩指令；S8：所述电流环控制器(3)接收所述实际转矩指令并产生控制量并将所述控制量施加到实际惯量负载(4)；S9：所述实际惯量负载(4)接收所述控制量并产生新的所述实际速度；S10：所述补偿环节控制器A(2)根据所述理论速度生成理论转矩指令并施加到所述理论惯量负载(5)；S11：所述理论惯量负载(5)接收所述理论转矩指令并产生新的理论速度；S12：所述补偿环节控制器B(6)接收所述理论速度和实际速度并产生补偿转矩指令；S13：所述补偿环节控制器B(6)输出滤波器处理所述补偿转矩指令；S14：所述速度环控制器(1)接收所述实际速度并根据所述实际速度误差生成所述实际转矩指令；S15：执行S8-S9并回到S1。
优选地，还包括补偿环节控制器输出滤波器(7)，所述补偿环节控制器输出滤波器(7)设置在所述补偿环节控制器B(6)和所述电流环控制器(3)之间。
优选地，所述补偿环节控制器输出滤波器(7)串联有陷波滤波器。
优选地，所述理论惯量负载(5)基于公式1/(Jm+JL0)s；1/(Jm+JL0)s为理论惯量负载(5)。
优选地，所述速度环控制器(1)的增益基于公式Kv＝(Jm+JL0)*Wn；所述补偿环节控制器A(2)的增益基于公式Kv0＝(Jm+JL0)*Wn；所述JL0为理论负载惯量；所述Wn为速度环带宽参数。
优选地，所述JL0可为0倍到任意合理范围内的电机转子惯量Jm值的倍数。
一种多关节机器人，其特征在于：使用所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法。
实施本发明的技术方案可解决现有技术中各关节伺服系统增益不一致从而动态响应性能不一致的技术问题；实施本发明的技术方案，可实现使得每一个关节伺服系统具有基本一致性的控制增益，达到基本一致性的动态性能，从而消除了多关节伺服系统的调节控制的短板，增强了机器人伺服系统性能的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法的控制律原理示意图；
图2为理论负载惯量设置为1倍电机转子惯量时不同实际惯性负载下的阶跃响应示意图；
图3为理论负载惯量设置为3倍电机转子惯量时不同实际惯性负载下的阶跃响应示意图；
图4为一种多关节机器人的调试示意图。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
速度环控制器(1)；
补偿环节控制器A(2)；
电流环控制器(3)；
实际惯量负载(4)；
理论惯量负载(5)；
补偿环节控制器B(6)；
补偿环节控制器输出滤波器(7)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在一种具体的实施例中，如图1、2和3所示，S0：初始化实际速度、理论速度，一般而言实际速度、理论速度的初始值为0；S1：输入模块产生给定速度；S2：所述给定速度与所述实际速度叠加并产生实际速度误差，在运行过程中，即每运行一次进行一次实际速度的更新；S3：所述给定速度与所述理论速度叠加并产生理论速度误差，在运行过程中，即每运行一次进行一次实际速度的更新，具体的叠加方式一般为取二值之差；S4：所述实际速度误差赋值给速度环控制器(1)；S5：所述理论速度误差赋值给所述补偿环节控制器A(2)；S6：所述速度环控制器(1)根据所述实际速度误差生成相应的转矩指令；S7：所述转矩指令与补偿转矩指令叠加并赋值给所述实际转矩指令，具体的叠加方式一般为取二值之差；S8：所述电流环控制器(3)接收所述实际转矩指令并产生控制量并将所述控制量施加到实际惯量负载(4)，在实际惯量负载(4)上体现对于控制量的执行效果；S9：所述实际惯量负载(4)接收所述控制量并产生新的所述实际速度，在实际惯量负载(4)上，实际速度值一般是通过设置在实际惯量负载(4)上的编码器获取；S10：所述补偿环节控制器A(2)根据所述理论速度误差生成理论转矩指令并施加到所述理论惯量负载(5)；S11：所述理论惯量负载(5)接收所述理论转矩指令并产生新的理论速度；S12：所述补偿环节控制器B(6)接收所述理论速度和实际速度并产生补偿转矩指令，所述补偿环节控制器B(6)也可以输入理论惯性负载的位置和实际负载的位置，二者的位置值可通过理论惯量负载上的位置信号和设置在实际惯量负载上的编码器获取；S13：所述补偿环节控制器B(6)输出滤波器处理所述补偿转矩指令；S14：所述速度环控制器(1)接收所述实际速度误差并根据所述实际速度误差生成所述实际转矩指令；S15：执行S8-S9并回到S1。
理论上，速度环控制器增益值的确定应该根据负载实际惯量JL的大小而定。假设在一定的速度环带宽Wn设定下，当实际系统的惯量未知时，也就无法设置合适的速度环增益，因此，在实际伺服系统中需要辨识出负载惯量值以得到合适的控制环增益；然而在本实施例的作用之下，实际惯性负载特性追随理论惯性负载特性，因此，无论实际惯性如何变化，均会在补偿控制量的纠正作用下，追随理论惯性负载的控制特性，从而避免了在线识别惯量的弊端，实时性更高，系统鲁棒性更强。
在一种优选的实施例中，如图1、2和3所示，所述补偿环节控制器输出滤波器(7)为高频带通滤波器。
在该种优选的实施例中，补偿环节控制器输出给滤波器，滤波器输出和速度环输出叠加进行控制指令的补偿纠正；在实际的运行过程中，补偿环节控制器B(6)会输出高频以及具有一定低频成分的控制信号，故需要经过高频带通滤波器滤除可能的不需要的低频成分后，该高频补偿环节控制器信号与原有转矩指令叠加，共同作为最终转矩指令给实际负载；同时，高频带通滤波器的带宽区域应该覆盖电流环带宽范围。
在一种优选的实施例中，所述补偿环节控制器输出滤波器(7)串联有陷波滤波器。
在该种优选的实施例中，为了更有效抑制系统机械振动，故串联有陷波滤波器；在具体的使用过程中，系统从转矩指令经过傅里叶分析得出系统振动频率值，然后自动设定该频率值为陷波滤波器中心频率值，从而消除相应的振动频率分量，进一步提高系统的稳定性和精度。
在一种优选的实施例中，如图1、2和3所示，1/(Jm+JL0)s为理论惯量负载(5)；所述速度环控制器(1)的增益基于公式Kv＝(Jm+JL0)*Wn；所述补偿环节控制器A(2)的增益基于公式Kv0＝(Jm+JL0)*Wn；所述JL0为理论负载惯量；所述Wn为速度环带宽参数；所述JL0可为0倍到任意合理范围内电机转子惯量Jm值的倍数。
在该种优选的实施例中，理论负载惯量JL0的选取是根据多关节机器人的负载特性而定，定性的，如果该机器人为重惯量负载机器人，负载能力大，负重大，那么JL0需要选择较大的值作为基准；反之，如果该机器人为轻载机器人，日常工作负荷等效惯量小，那么JL0需要选择较小的值。
在一种优选的实施例中，如图1和2所示，所述JL0＝Jm。
在该种优选的实施例中，当实际负载为3倍惯量负载时，或者无实际负载惯量时，在本实施例的控制律下，具有相近的阶跃响应，这意味着具有相同的速度环带宽，适用于轻载机器人。
在一种优选的实施例中，如图1和3所示，所述JL0＝3×Jm。
在该种优选的实施例中，在控制率的控制下，当实际负载惯量为2倍或者6倍电机转子惯量时，得到相近的阶跃响应曲线，这表明负载实际惯量的变化对控制器控制下的实际系统速度环带宽影响不大，均具有基本相同的速度环带宽。
一般而言，负载惯量变化越大，实际系统响应速度变化越大，但在合理的实际负载惯量变化范围内，当多关节机器人伺服均采用这种同样的控制律时，系统带宽基本保持不变，多个关节伺服的调节就简化了很多，同时能够容易实现每一个关节伺服系统具有相同的系统带宽，尽管每一个关节伺服系统可能具有不同的等效负载惯量，但均能保持同样的动态响应，为最终执行环节的高精度动作提供了前提条件，从而避免了有的关节伺服系统响应慢，性能差，而有的关节伺服系统响应快速，性能好，那么末端执行端的性能就会受到响应慢的那个关节伺服系统的影响和拖累的木桶效应。
在一种具体的实施例中，一种多关节机器人，其特征在于：使用所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法。
在该种具体的实施例中，可通过设置JL0，从而改变Wn，进而实现同时调试6关节伺服增益，从而极大简化了调试工作任务量及降低调试难度。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，其特征在于：包括：
S0：初始化实际速度、理论速度；
S1：输入模块产生给定速度；
S2：所述给定速度与所述实际速度叠加并产生实际速度误差；
S3：所述给定速度与所述理论速度叠加并产生理论速度误差；
S4：所述实际速度误差赋值给速度环控制器(1)；
S5：所述理论速度误差赋值给所述补偿环节控制器A(2)；
S6：所述速度环控制器(1)根据所述实际速度误差生成相应的转矩指令；
S7：所述转矩指令与补偿转矩指令叠加并赋值给所述实际转矩指令；
S8：所述电流环控制器(3)接收所述实际转矩指令并产生控制量并将所述控制量传输给实际惯量负载(4)；
S9：所述实际惯量负载(4)处理所述控制量并产生新的所述实际速度；
S10：所述补偿环节控制器A(2)根据所述理论速度生成理论转矩指令并发送给所述理论惯量负载(5)；
S11：所述理论惯量负载(5)处理所述理论转矩指令并产生新的理论速度；
S12：所述补偿环节控制器B(6)接收所述理论速度和实际速度并产生补偿转矩指令；
S13：所述补偿环节控制器B(6)输出滤波器处理所述补偿转矩指令；
S14：所述速度环控制器(1)接收所述实际速度并根据所述实际速度误差生成所述实际转矩指令；
S15：执行S8-S9并回到S1。
2.根据权利要求1所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，其特征在于：还包括补偿环节控制器输出滤波器(7)，所述补偿环节控制器输出滤波器(7)设置在所述补偿环节控制器B(6)和所述电流环控制器(3)之间。
3.根据权利要求2所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，其特征在于：所述补偿环节控制器输出滤波器(7)为高频带通滤波器。
4.根据权利要求3所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，其特征在于：所述补偿环节控制器输出滤波器(7)串联有陷波滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，其特征在于：所述理论惯量负载(5)基于公式1/(Jm+JL0)s；所述1/(Jm+JL0)s为理论惯量负载(5)。
6.根据权利要求5所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，其特征在于：所述速度环控制器(1)的增益基于公式Kv＝(Jm+JL0)*Wn；所述补偿环节控制器A(2)的增益基于公式Kv0＝(Jm+JL0)*Wn；
所述JL0为理论负载惯量；
所述Wn为速度环带宽参数。
7.根据权利要求6所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法，其特征在于：所述JL0可为0倍到任意合理范围内的电机转子惯量Jm值的倍数。
8.一种多关节机器人，其特征在于：使用权利要求1-7任一所述的一种多关节机器人伺服增益一致性控制方法。
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