CN111930156B - 一种抑振方法、抑振系统、抑振装置和机器人设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑振方法、抑振系统、抑振装置和机器人设备，该抑振方法包括：获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；根据所述采样点的个数和全部所述速度采样值判断控制系统是否出现振动；当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；根据所述振动分量消除控制系统中的振动。上述抑振方法通过直接处理时域信号，在线计算量较小，并且无需知道系统模型即可检出振动，同时可以在不引入相位延迟的情况下实现抑振，这样可以解决由于产生额外的相位延迟而导致破坏系统稳定性的问题。

Description

一种抑振方法、抑振系统、抑振装置和机器人设备

技术领域

本发明涉及振动检测技术领域，特别涉及一种抑振方法、抑振系统、抑振装置和机器人设备。

背景技术

串联六轴工业机器人本体，由于机械设计、减速器、负载变化的因素，会在某种应用场景出现低频抖动现象。相比于驱动器位置环1kHz，速度环4kHz，电流环16kHz的典型值而言，5Hz到15Hz的低频抖动很难在三环中插入陷波器滤除，其原因是IIR陷波器可能带来其它频点的相位延迟现象，导致系统出现不稳定。

机器人低频抖动是各大机器人厂商产品都面临的问题，目前已有多种方法应对该问题。在驱动器层面，陷波器是最通用的抑制低频抖动的方法，通过对环路中包含抖动的信号进行滤波，减少抖动成分，从而减弱甚至消除振动；观测器法在控制理论上效果较好，通过对振动建模，主动对振动分量进行补偿；另一种更为简单直接的方法是直接调节PID控制，通过降低系统刚性，增加积分等作用，减轻振动效果；在控制算法层面，通过调整规划曲线，进行速度避让，能有效防止共振振动的产生；通过输入整形方法，改变jerk和加速度，也能够规避振动的发生。然而，实践中，应用陷波器可以有效滤除高频振动成分，但针对5～15Hz的低频振动，不仅抑振效果不佳，还会导致系统不稳定。如图1所示是一种典型的机器人系统抑振陷波器的抑振效果示意图，该陷波器可应用在位置环、速度环和电流环误差或指令滤波，经过控制器的离散化和数字化，滤波器幅频特性将有所改变，同时将在环路中引入了相位延时，导致系统可能出现性能衰减或响应不收敛；观测器虽然在控制理论上具有完美的数学形式，但受限于实际工程，难以建立系统矩阵和观测器模型，应用上始终难以推广；调节PID也不能完全消除振动，反而会对系统的高速响应造成损害。

因此，如何在不需要了解系统模型和不引入相位延迟的情况下实现抑振，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑振方法、抑振系统、抑振装置和机器人设备，可以在不需要了解系统模型和不引入相位延迟的情况下实现抑振。

为实现上述目的，本发明提供一种抑振方法，包括：

获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；

根据所述采样点的个数和全部所述速度采样值判断所述控制系统是否出现振动；

当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；

根据所述振动分量消除所述控制系统中的振动。

可选地，所述获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值，包括：

获取控制系统中出现振动时的振动频率下限值Freq_L、振动频率上限值Freq_H、反馈信号的数字采样频率Freq_sa和振动频率步长间隔Freq_Acc；

根据Win_Num＝Freq_H–Freq_L/Freq_Acc计算得到所需获取时域窗口的个数，其中，Win_Num为所需获取时域窗口的个数；

根据k＝Freq_sa/(Freq_L+n*Freq_Acc)计算得到控制系统中每个时域窗口中采样点的个数，其中，k为每个时域窗口中采样点的个数，n＝0，1，2，…Win_Num；

获取每个时域窗口中每个采样点对应的速度采样值。

可选地，所述根据所述采样点数和所述速度采样值判断控制系统是否出现振动，包括：

计算任意两个相邻时域窗口中的所述速度采样值的差值并得到一组速度采样差值；

对全部所述速度采样差值做绝对值计算并获取最小速度采样差值；

根据获取到的预设速度采样差值的阈值判断所述最小速度采样差值是否小于所述阈值；

当所述最小速度采样差值小于所述阈值时，判断控制系统出现振动。

可选地，所述根据所述振动分量消除控制系统中的振动，包括：

将所述振动分量作反向变换得到反向振动分量；

将所述反向振动分量补偿至控制系统中并与控制系统中的正向振动分量抵消。

本发明还提供一种抑振系统，包括：

计算模块：用于获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；

判断模块：用于根据所述采样点的个数和全部所述速度采样值判断控制系统是否出现振动；

获取模块：用于当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；

抑振模块：用于根据所述振动分量消除控制系统中的振动。

可选地，所述计算模块包括：

第一获取单元：用于获取控制系统中出现振动时的振动频率下限值Freq_L、振动频率上限值Freq_H、反馈信号的数字采样频率Freq_sa和振动频率步长间隔Freq_Acc；

第一计算单元：用于根据Win_Num＝Freq_H–Freq_L/Freq_Acc计算得到所需获取时域窗口的个数，其中，Win_Num为所需获取时域窗口的个数；

第二计算单元：用于根据k＝Freq_sa/(Freq_L+n*Freq_Acc)计算得到控制系统中每个时域窗口中采样点的个数，其中，k为每个时域窗口中采样点的个数，n＝0，1，2，…Win_Num；

第二获取单元：用于获取每个时域窗口中每个采样点对应的速度采样值。

可选地，所述判断模块包括：

差值计算单元：用于计算任意两个相邻时域窗口中的所述速度采样值的差值得到一组速度采样差值；

最小值计算单元：用于对全部所述速度采样差值做绝对值计算并获取最小速度采样差值；

比值计算单元：用于根据获取到的预设速度采样差值的阈值判断所述最小速度采样差值是否小于所述阈值；

判断单元：用于当所述最小速度采样差值小于所述阈值时，判断控制系统出现振动。

可选地，所述抑振模块包括：

变换单元：用于将所述振动分量作反向变换得到反向振动分量；

补偿单元：用于将所述反向振动分量补偿至控制系统中并与控制系统中的正向振动分量抵消。

本发明还提供一种抑振装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述抑振方法的步骤。

本发明还提供一种机器人设备，包括上述抑振装置。

相对于上述背景技术，本发明针对抑制机器人振动的不同要求，设计了一种抑振方法，具体来说，该抑振方法包括：S1：获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；S2：根据采样点的个数和速度采样值判断控制系统是否出现振动；S3：当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；S4：根据振动分量消除控制系统中的振动。同时，本发明还提供一种抑振系统，该系统包括计算模块、判断模块、获取模块和抑振模块，其中，计算模块用于获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；判断模块用于根据所述采样点的个数和全部所述速度采样值判断控制系统是否出现振动；获取模块用于当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；抑振模块用于根据所述振动分量消除控制系统中的振动。

由于机器人出现低频振动时，在控制环路中，指令/误差信号会出现控制信号叠加正弦抖动的形式，上述抑振方法通过对振动进行补偿以消除控制环路中正弦抖动成分。在应用中，上述抑振方法直接在时域信号上处理，即通过获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值，并根据采样点的个数和全部速度采样值来判断控制系统中是否出现振动，当系统出现振动时，再通过时窗分析提取振动分量，将该振动分量补偿到原始信号，最终消除掉控制环路中的振动成分。相比于传统抑振方法，本发明提供的抑振方法直接处理时域信号，在线计算量较小，并且无需知道系统模型即可检出振动，同时可以在不引入相位延迟的情况下实现抑振，这样可以解决由于产生额外的相位延迟而导致破坏系统稳定性的问题。

本发明还提供一种机器人设备和抑振装置，有益效果如上述，此处将不再赘述。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种典型的机器人系统抑振陷波器的抑振效果示意图；

图2为本发明实施例所提供的抑振方法的流程图；

图3为本发明实施例所提供的抑振方法抑振后完全补偿的效果示意图。

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做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。

本发明的核心是提供一种抑振方法、抑振系统、抑振装置和机器人设备，可以在不需要了解系统模型和不引入相位延迟的情况下实现抑振。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2和图3，图2为本发明实施例所提供的抑振方法的流程图；图3为本发明实施例所提供的抑振方法抑振后完全补偿的效果示意图。

本发明实施例所提供的抑振方法，包括：

S1：获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；

S2：根据采样点的个数和速度采样值判断控制系统是否出现振动；

S3：当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；

S4：根据振动分量消除控制系统中的振动。

需要说明的是，本发明实施例所提供的抑振方法可用于六轴机器人由于机械设计、减速器或者负载变化的因素而导致在相应的应用场景出现低频抖/振动的情况。由于当机器人出现低频振动时，在控制系统的相应环路中，指令/误差信号会出现控制信号叠加正弦抖动的形式，即：

y(t)＝x(t)+Asin(wt)；

其中，Asin(wt)即为振动成分。

本申请提供的抑振方法通过对振动进行补偿以消除控制环路中正弦抖动成分，从而使y(t)＝x(t)。

利用正弦数据在一个周期内均值为0的特点，如果对于一个时域窗口内的采样数据：

y_win(m，k)＝{y(m)，y(m+1)，…y(m+k)}；

则有：

mean(y_win(m，k))＝mean(x_win(m，k))；

可知，该k个点构成的时域窗口包含了一个完整的振动周期，且与m(窗口数据的起始位置)无关。因此，锁定振动频率的k采样点窗口，理想上满足：

Delta_win＝mean(y_win(m，k))-mean(y_win(m-1，k))＝0。

所谓时域窗口是指：在时域中，窗口随着时间一直移动，可以简称为时窗。每个时窗中采样点的个数可等效认为是窗口的宽度。

在应用中，上述抑振方法直接在时域信号上处理，即通过获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值，并根据采样点的个数和全部速度采样值来判断控制系统中是否出现振动，当系统出现振动时，再通过时窗分析提取振动分量，将该振动分量补偿到原始信号，最终消除掉控制环路中的振动成分。

相比于传统抑振方法，本发明提供的抑振方法直接处理时域信号，在线计算量较小，并且无需知道系统模型即可检出振动，同时可以在不引入相位延迟的情况下实现抑振，这样可以解决由于产生额外的相位延迟而导致破坏系统稳定性的问题。

工程实践中，需要考虑振动频率辨识的范围和精度，进行鲁棒补偿，下面介绍一种时窗采样值的提取方法：

若可能的振动频率范围是Freq_L(Hz)到Freq_H(Hz)，要求振动频率步长间隔(频率分辨精度)为Freq_Acc(Hz)，反馈信号的数字采样频率为Freq_sa(Hz)。则需要开取的时窗个数为：

Win_Num＝Freq_H–Freq_L/Freq_Acc；

其中，Win_Num为所需获取时域窗口的个数。

再根据k＝Freq_sa/(Freq_L+n*Freq_Acc)计算得到控制系统中每个时域窗口中采样点的个数，其中，k为每个时域窗口中采样点的个数，n＝0，1，2，…Win_Num；

随着时间的移动，在每个时窗宽度下，都将得到一组连续的时窗采样值，即速度采样值，这样即可获取每个时域窗口中每个采样点对应的速度采样值。

在S2中，根据所述采样点数和速度采样值判断控制系统是否出现振动主要包括：将相邻时窗的速度采样值进行作差，将得到一组连续的速度采样差值，通过取绝对值运算后将所有窗口宽度下计算得到速度采样差值进行统计，并从结果中选取最小速度采样差值：

[v，k]＝min(abs(mean(y_win(m，ki))–mean(y_win(m-1，ki))))；

其中，v为相邻时窗数据差值绝对值的最小值，即最小速度采样差值；k为当出现最小值时对应的窗口索引，即窗口宽度；i为随窗口移动的变化数据，取值为1，2，3…。

由于当系统出现振动现象时，在起振时刻附近，相邻窗口的差值会发生明显的变化，而当系统平稳运行或者系统产生周期性的振动时，相邻窗口的差值比较平稳。根据工程经验选取预设速度采样差值的阈值Vth，通过判断满足v<Vth时，则可判断出现了振动。

当然，根据实际需要，在离散系统中计算时，上述最小速度采样差值的计算式可以通过递增循环的方式实现窗口随时间的移动；此时，仅需计算相临时窗的两个采样点的差即可完成计算，即：

[v，k]＝min(abs(y(m-ki)–y(m)))；

上述上式可以减少在线计算量。

进一步的，当控制系统出现振动时，提取相应时域窗口的振动分量，具体可以采用快速傅里叶变换(FFT)获取振动信号的幅频特性，再通过频率提取算法提取出系统的振动频率。

实际应用中可以将提取出来的振动分量施加变换后补偿到原系统中进行振动抑制，这样即可省去确定振动频率的步骤。具体地，当通过上述过程判断系统出现振动后，可以将振动分量提取出来并做反向变换，然后补偿到原系统中，从而将系统的正向振动分量与反向振动分量相抵消，从而消除系统振动，具体如下式：

compensate(m)＝mean(y_win(m，k))–y(m)；

z(m)＝y(m)+p*compensate(m)。

其中，compensate(m)为第m个采样的补偿量，p为工程可调节的参数，p＝1即完全补偿。如图3所示即为自适应抑振后完全补偿的结果。

同时，本发明还提供一种抑振系统，该系统包括计算模块、判断模块、获取模块和抑振模块，其中，计算模块用于获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；判断模块用于根据采样点的个数和全部速度采样值判断控制系统是否出现振动；获取模块用于当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；抑振模块用于根据振动分量消除控制系统中的振动。

在本发明实施例中，上述计算模块包括第一获取单元、第一计算单元、第二计算单元和第二获取单元，其中：

第一获取单元：用于获取控制系统中出现振动时的振动频率下限值Freq_L、振动频率上限值Freq_H、反馈信号的数字采样频率Freq_sa和振动频率步长间隔Freq_Acc；

第一计算单元：用于根据Win_Num＝Freq_H–Freq_L/Freq_Acc计算得到所需获取时域窗口的个数；

第二计算单元：用于根据k＝Freq_sa/(Freq_L+n*Freq_Acc)计算得到控制系统中每个时域窗口中采样点的个数，其中n＝0，1，2，…Win_Num；

第二获取单元：用于获取每个时域窗口中每个采样点对应的速度采样值。

进一步的，判断模块包括差值计算单元、最小值计算单元、比值计算单元和判断单元，其中：

差值计算单元：用于计算任意两个相邻时域窗口中的速度采样值的差值并得到一组速度采样差值；

最小值计算单元：用于对全部速度采样差值做绝对值计算并获取最小速度采样差值；

比值计算单元：用于根据获取到的预设速度采样差值的阈值判断最小速度采样差值是否小于阈值；

判断单元：用于当最小速度采样差值小于阈值时，判断控制系统出现振动。

在上述基础上，上述抑振模块包括变换单元和补偿单元，其中：

变换单元：用于将振动分量作反向变换得到反向振动分量；

补偿单元：用于将反向振动分量补偿至控制系统中并与控制系统中的正向振动分量抵消。

本申请还提供了一种抑振装置，本申请实施例提供的一种抑振装置包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时可以实现上述实施例所提供的抑振方法的步骤。

具体的，存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机可读指令，该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机可读指令的运行提供环境。处理器在一些实施例中可以是一中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，为抑振装置提供计算和控制能力。

在上述实施例的基础上，作为优选实施方式，所述抑振装置还包括：

输入接口，与处理器相连，用于获取外部导入的计算机程序、参数和指令，经处理器控制保存至存储器中。该输入接口可以与输入装置相连，接收用户手动输入的参数或指令。该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是终端外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，也可以是键盘、触控板或鼠标等。

显示单元，与处理器相连，用于显示处理器处理的数据以及用于显示可视化的用户界面。该显示单元可以为LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。

网络端口，与处理器相连，用于与外部各终端设备进行通信连接。该通信连接所采用的通信技术可以为有线通信技术或无线通信技术，如移动高清链接技术(MHL)、通用串行总线(USB)、高清多媒体接口(HDMI)、无线保真技术(WiFi)、蓝牙通信技术、低功耗蓝牙通信技术、基于IEEE802.11s的通信技术等。

本领域技术人员可以理解的是，抑振装置可以包括比上述更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。该存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所提供的抑振方法的步骤。

当然，本申请还提供了一种机器人设备，包括上述实施例所提供的抑振装置，机器人设备的其他部分可以参照现有技术的内容。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的抑振方法、抑振系统、抑振装置和机器人设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种抑振方法，其特征在于，包括：

获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；

根据所述采样点的个数和全部所述速度采样值判断所述控制系统是否出现振动；

当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；

根据所述振动分量消除所述控制系统中的振动；

所述根据所述采样点数和所述速度采样值判断控制系统是否出现振动，包括：

计算任意两个相邻时域窗口中的所述速度采样值的差值并得到一组速度采样差值；

对全部所述速度采样差值做绝对值计算并获取最小速度采样差值；

根据获取到的预设速度采样差值的阈值判断所述最小速度采样差值是否小于所述阈值；

当所述最小速度采样差值小于所述阈值时，判断控制系统出现振动。

2.根据权利要求1所述的抑振方法，其特征在于，所述获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值，包括：

获取控制系统中出现振动时的振动频率下限值Freq_L、振动频率上限值Freq_H、反馈信号的数字采样频率Freq_sa和振动频率步长间隔Freq_Acc；

根据Win_Num=Freq_H–Freq_L/Freq_Acc计算得到所需获取时域窗口的个数，其中，Win_Num为所需获取时域窗口的个数；

根据k=Freq_sa/（Freq_L+n * Freq_Acc）计算得到控制系统中每个时域窗口中采样点的个数，其中，k为每个时域窗口中采样点的个数，n=0，1，2，…Win_Num；

获取每个时域窗口中每个采样点对应的速度采样值。

3.根据权利要求1至2任一项所述的抑振方法，其特征在于，所述根据所述振动分量消除控制系统中的振动，包括：

将所述振动分量作反向变换得到反向振动分量；

将所述反向振动分量补偿至控制系统中并与控制系统中的正向振动分量抵消。

4.一种抑振系统，应用于上述权利要求1-3任一项所述的抑振方法，其特征在于，包括：

计算模块：用于获取控制系统中每个时域窗口中采样点的个数和每个采样点对应的速度采样值；

判断模块：用于根据所述采样点的个数和全部所述速度采样值判断控制系统是否出现振动；

获取模块：用于当控制系统出现振动时，获取相应时域窗口的振动分量；

抑振模块：用于根据所述振动分量消除控制系统中的振动；

所述判断模块包括：

差值计算单元：用于计算任意两个相邻时域窗口中的所述速度采样值的差值得到一组速度采样差值；

最小值计算单元：用于对全部所述速度采样差值做绝对值计算并获取最小速度采样差值；

比值计算单元：用于根据获取到的预设速度采样差值的阈值判断所述最小速度采样差值是否小于所述阈值；

判断单元：用于当所述最小速度采样差值小于所述阈值时，判断控制系统出现振动。

5.根据权利要求4所述的抑振系统，其特征在于，所述计算模块包括：

第一获取单元：用于获取控制系统中出现振动时的振动频率下限值Freq_L、振动频率上限值Freq_H、反馈信号的数字采样频率Freq_sa和振动频率步长间隔Freq_Acc；

第一计算单元：用于根据Win_Num=Freq_H–Freq_L/Freq_Acc计算得到所需获取时域窗口的个数，其中，Win_Num为所需获取时域窗口的个数；

第二计算单元：用于根据k=Freq_sa/（Freq_L+n * Freq_Acc）计算得到控制系统中每个时域窗口中采样点的个数，其中，k为每个时域窗口中采样点的个数，n=0，1，2，…Win_Num；

第二获取单元：用于获取每个时域窗口中每个采样点对应的速度采样值。

6.根据权利要求4所述的抑振系统，其特征在于，所述抑振模块包括：

变换单元：用于将所述振动分量作反向变换得到反向振动分量；

补偿单元：用于将所述反向振动分量补偿至控制系统中并与控制系统中的正向振动分量抵消。

7.一种抑振装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述抑振方法的步骤。

8.一种机器人设备，其特征在于，包括如权利要求7所述的抑振装置。

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