CN111673734A - 一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法 - Google Patents

一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，包括输入模块、速度环控制器、电流环控制器、惯量负载，所述输入模块连接所述速度环控制器，所述速度环控制器连接所述电流环控制器，所述电流环控制器连接所述惯量负载，所述惯量负载连接所述输出模块，其特征在于：还包括补偿转矩观测器；所述电流环控制器连接所述补偿转矩观测器；所述速度环控制器连接所述补偿转矩观测器。本发明的有益效果是：集成在每一个关节伺服驱动器中的控制算法能够具有消除或减轻振动的控制策略，对各自的机械振动做出合适的控制或补偿动作。

Description

一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法
技术领域
本发明涉及机器人关节伺服驱动技术，特别涉及一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法。
背景技术
多关节机械臂从伺服系统角度看，对每一个关节伺服电机，其负载理论上是一种具有柔性特性的伺服系统。
柔性伺服系统，当控制环路增益增加时易发生振动，这是柔性系统的典型特性。这种振动可能造成机械系统的损坏，也可能造成机械臂定位精度下降。一般的方法是在控制环路的控制作用下或者在特殊滤波器补偿的作用下，减轻或消除该振动。在有些情况下，当这种振动频率较高，幅值较小时，有时候不易被观察到，但实际上严重影响机械臂的定位精度。
如申请号为CN103538065A的发明专利，提供了一种减振控制机器人系统，用于对机器人振动现象进行抑制。该发明在机器人末端安装了加速度传感器，通过对加速度传感器输出的信号进行处理，得到系统的振动信息，相应的在控制环路中进行补偿从而抑制振动。
该专利缺点：首先，在机械臂末端需要安装加速度传感器，这增加了物理成本及系统硬件复杂性；再次，该减振控制系统独立于机器人控制系统而存在，这种实现方式既有优点也有缺点，但总的来说增加了系统成本和安装调试工作量，又因为是独立的系统，还增加了潜在的可靠性问题。
又如申请号为CN110071676A的发明专利，公开了一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法。该方法采用速度环控制器和参数自适应控制器代替传统的速度环控制器，根据关节状态反馈和控制参数反馈生成转矩信号来驱动电机。该方法声称能有效抑制柔性机械振动。
该方法最大缺点是控制律复杂，是一种基于状态反馈的控制律系统，需要连续计算多个状态反馈量，耦合因素较多，还需要通过关节电机的状态参数推导出机械臂末端的状态参数，这种推导具有一定的边界条件或者限制条件，一旦在运动中，负载条件变化较大，其计算准确性会大打折扣，从而影响性能。
由此可见，关节伺服系统本身的控制性能是机械臂高精度工作的基本保证，如果能不依赖于额外安装的外部传感器，采用一种更具鲁棒性的控制方法消除振动，是最佳选择。
机器人机械臂伺服关节系统理论上是一个柔性伺服系统，容易振动，振动会引起机械臂的动作误差。对于多关节伺服系统而言，每一个关节伺服系统振动时，可能振动频率，幅值并不相同，因为各个关节系统具有不同的等效惯量，柔性系数等特性。因此，无法通过一个统一的上位控制算法或者减振策略消除每一个关节上的不同的机械振动；而集成在每一个关节伺服驱动器中的控制算法如果能够具有消除或减轻振动的控制策略，将对各自的机械振动做出合适的控制或补偿动作，这是最佳选择。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，本发明的技术方案是这样实施的：
一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，包括S0：初始化实际速度、转矩补偿指令；S1：输入模块产生给定速度；S2：所述给定速度与实际速度之误差输入速度环控制器中；S3：所述速度环控制器产生转矩指令；S4：所述转矩指令与所述转矩补偿指令叠加产生新的转矩指令；S5：所述新的转矩指令输入电流环控制器，所述电流环控制器输出控制量；S6：所述惯量负载执行所述控制量产生实际加速度；S7：所述实际加速度积分并产生所述实际速度；S8：所述实际加速度、所述转矩指令传输给补偿转矩观测器；S9：所述补偿转矩观测器产生所述转矩补偿指令；S10：回到S1。
优选地，S9包括：S9A-1：所述实际加速度和所述转矩指令经增益处理后叠加产生转矩补偿量；S9A-2：所述转矩补偿量输入补偿转矩提取器；S9A-3：所述补偿转矩提取器输出新的所述转矩补偿指令。
优选地，所述补偿转矩提取器基于一阶高通滤波器。
优选地，S3-S9等效替换为SX，SX包括：SX-1：所述转矩补偿指令进行增益处理产生增益后转矩补偿指令；SX-2：所述处理后转矩补偿指令微分得到微分后转矩补偿指令；SX-3：所述微分后转矩补偿指令输入低通滤波器产生转矩补偿指令。
优选地，所述增益参数，高通通滤波器参数满足公式
Figure BDA0002469599460000031
其中，ωH为补偿环节所能抑制的最高振动频率值，α为高通滤波器增益，ω0为高通滤波器截至频率，K为实际加速度增益值，Kn为转矩指令增益值。
优选地，所述转矩补偿观测器还包括相位补偿滤波器；所述相位补偿滤波器位于所述补偿转矩输出端。
优选地，所述相位补偿滤波器为超前-滞后滤波器；所述超前-滞后滤波器基于的公式为：
Figure BDA0002469599460000032
优选地，对于同一机械臂若干个伺服系统，振动频率抑制范围相同。
一种机器人，其特征在于：使用所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法。
实施本发明的技术方案可解决现有技术中机器人关节伺服系统的机械振动问题，特别是频率较高，幅值较小的振动问题；实施本发明的技术方案，可实现集成在每一个关节伺服驱动器中的控制算法能够具有消除或减轻振动的控制策略，对各自的机械振动做出合适的控制或补偿动作的技术效果。
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的介绍，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为一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法的一种具体的实施例的控制律示意图；
图2为一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法的补偿转矩观测器的具体控制律示意图；
图3为一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法的含补偿转矩观测器的转矩闭环控制示意图；
图4为高通滤波器设置与等效低通滤波部分设置示意图，其中虚线是高通滤波器，黑色为等效低通滤波器；
图5为一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法的一种优选的实施例的控制律示意图；
图6为一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法的一种优选的实施例的同一机械臂若干个伺服系统下的控制示意图。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
G(KV)-速度环控制器；
G(i)-电流环控制器；
1/(JL)-惯量负载；
Kn-转矩指令增益；
G0(S)-补偿转矩提取器；
K-负载转矩增益；
T-转矩指令；
Tc-转矩补偿指令；
Te-新的转矩指令；
wref-给定速度指令。
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1-4所示，一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，包括S0：初始化实际速度、转矩补偿指令；S1：输入模块产生给定速度；S2：所述给定速度与实际速度相减产生的速度误差，将所述速度误差输入速度环控制器中，在运行过程中，每运行一次进行一次的实际速度误差的更新；S3：所述速度环控制器产生转矩指令；S4：所述转矩指令与所述转矩补偿指令叠加产生新的转矩指令；S5：所述新的转矩指令输入电流环控制器，所述电流环控制器输出控制量，并将所述控制量施加到惯量负载，在惯量负载上体现对于控制量的执行效果；S6：所述惯量负载执行所述控制量产生实际加速度，实际加速度值一般是通过设置在实际惯量负载(4)上的编码器反映的电机转子位置信息获取；S7：所述实际加速度积分并产生所述实际速度；S8：所述实际加速度、所述转矩指令传输给补偿转矩观测器；S9：所述补偿转矩观测器产生所述转矩补偿指令；S10：回到S1，重复上述过程并不间断执行。
通过上述步骤，实现了集成在每一个关节伺服驱动器中的控制算法能够具有消除或减轻振动的控制策略，对各自的机械振动做出合适的控制或补偿动作的技术效果。
在一种优选的实施例中，如图2所示，S9包括：S9A-1：所述实际加速度和所述转矩指令经增益处理后叠加产生补偿转矩；S9A-2：所述补偿转矩输入补偿转矩提取器；S9A-3：所述补偿转矩提取器输出新的所述转矩补偿指令。
在该种优选的实施例中，计算得到的负载转矩可表达为：
Ta＝K·JL·dω/dt
其中，K为加速度反馈增益；JL为负载惯量，Ta为计算的负载转矩。
所述补偿转矩提取器作用为提取能够抑制振动的转矩补偿分量，以便和转矩指令叠加，对系统振动进行抑制或补偿。其实现方式有多种，可使用一阶高通滤波器提取转矩中的振动信号作为补偿控制量，一阶高通滤波器如下式所示：
αs/(s+ω0)
式中α为高通滤波器增益，ω0为高通滤波器截止频率,S为拉普拉斯算子。
在一种优选的实施例中，S3-S9替换为SX，SX包括：SX-1：所述补偿转矩进行增益处理产生增益后补偿转矩；SX-2：所述处理后补偿转矩微分得到微分后补偿转矩；SX-3：所述微分后补偿转矩输入低通滤波器产生补偿转矩。
在该种优选的实施例中，电流环具有最高带宽，故此处简化为一个增益为1的无延迟环节，则从转矩指令T到补偿转矩Tc的转矩闭环传递函数可表达为：
Figure BDA0002469599460000061
T为速度环控制器输出的转矩指令；Tc为高通滤波器输出的补偿指令；令，
Figure BDA0002469599460000062
则传递函数表达为：
Figure BDA0002469599460000063
其可视为由增益K0模块，一个微分环节和一个低通滤波环节组成；即转矩指令经过一个增益K0，再经过微分，然后经过一个低通滤波器，即可得到补偿转矩，故所述低通滤波器的时间常数为：
Figure BDA0002469599460000071
所述低通滤波器满足表达式：
Figure BDA0002469599460000072
低通滤波器的时间常数要小于频率ωH所对应的时间常数；其中，ωH为补偿环节所能抑制的最高振动频率值；该频率值可根据机械系统特性而定，也可以人为设定一个值，比如此处设定为约等于或稍高于电流环带宽。
进一步可得到关系式
Figure BDA0002469599460000073
上式表明了增益Kn，K,高通滤波器带宽及其增益，以及最高振动频率之间需要满足的关系。
同时根据上式所体现的限定条件得知，整个补偿环节并非对所有频率段振动频率都有效，而是具有一定的有效频率段，如图4所示，该补偿算法有效的振动频率段为从ω0～ωH。振动抑制有效频率段的设定与具体的伺服柔性系统相关。
在一种优选的实施例中，如图5所示，所述补偿观测器还包括相位补偿滤波器；所述相位补偿滤波器位于所述补偿转矩提取器的输出；所述相位补偿滤波器为超前-滞后滤波器；所述超前-滞后滤波器基于的公式为：
Figure BDA0002469599460000074
在该种优选的实施例中，相位补偿滤波器接收补偿转矩指令然后再处理补偿转矩指令，然后再将处理后的补偿转矩指令传输给所述电流控制器；通过设置一个额外的相位补偿滤波器，可以改善补偿环节的相位特性，提高其相位裕度。
在一种优选的实施例中，如图6所示，对于同一机械臂若干个关节伺服系统，振动频率抑制范围相同。
在该种优选的实施例中，对于多关节机器人机械臂而言，每一个关节伺服系统具有不同的等效负载及等效柔性特性，因而每一个关节伺服系统所表现的振动频率可能是不一样的，同时，并非每一个关节伺服系统都同时处于振动状态，可能有的处于微振状态，有的并未振动，而有的振动幅度稍大，这都是可能发生的，而在本实施例中，对于同一机械臂若干个关节伺服系统，设置相同的振动频率抑制范围，无须单独具体设置某一个关节伺服，只需要同一设置范围，这给调试带来了便利。
在一种具体的实施例中，一种机器人，其特征在于：使用所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法。
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 (9)

1.一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，包括
S0：初始化实际速度、转矩补偿指令；
S1：输入模块产生给定速度；
S2：所述给定速度与实际速度之差产生实际速度误差并将所述实际速度误差输入速度环控制器中；
S3：所述速度环控制器产生转矩指令；
S4：所述转矩指令与所述转矩补偿指令叠加产生所述新的转矩指令；
S5：所述新的转矩指令输入电流环控制器，所述电流环控制器输出控制量；
S6：所述惯量负载执行所述控制量并产生实际加速度；
S7：所述实际加速度积分并产生所述实际速度；
S8：所述实际加速度、所述转矩指令传输给补偿转矩观测器；
S9：所述补偿转矩观测器产生新的所述转矩补偿指令；
S10：回到S1。
2.根据权利要求1所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，其特征在于：S9包括：
S9A-1：所述实际加速度和所述转矩指令经增益处理后叠加产生负载转矩补偿量；
S9A-2：所述负载转矩补偿量输入补偿转矩提取器；
S9A-3：所述补偿转矩提取器输出新的所述转矩补偿指令。
3.根据权利要求2所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，其特征在于：所述补偿转矩提取器基于一阶高通滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，其特征在于：S3-S9可等效替换为SX，SX包括：
SX-1：所述转矩补偿指令进行增益处理产生增益后转矩补偿指令；
SX-2：所述处理后转矩补偿指令微分得到微分后转矩补偿指令；
SX-3：所述微分后转矩补偿指令输入低通滤波器产生最终转矩补偿指令。
5.根据权利要求4所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，其特征在于：所述增益参数，高通滤波器参数需要满足公式
Figure FDA0002469599450000021
其中，ωH为补偿环节所能抑制的最高振动频率值，α为高通滤波器增益，ω0为高通滤波器截至频率，K为实际加速度增益值，Kn为转矩指令增益值。
6.根据权利要求3所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，其特征在于：所述补偿观测器还包括相位补偿滤波器；所述相位补偿滤波器位于所述高通滤波器的输出。
7.根据权利要求6所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，其特征在于：所述相位补偿滤波器为超前-滞后滤波器；所述超前-滞后滤波器基于的公式为：
Figure FDA0002469599450000022
8.根据权利要求1-7任一所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法，其特征在于：对于同一机械臂若干个伺服系统，振动频率抑制范围相同。
9.一种机器人，其特征在于：使用如权利要求1-8任一所述的一种机器人关节伺服系统振动抑制控制方法。
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GR01 Patent grant
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