CN112486070B - 一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统和方法，包括控制器主站、机器人本体和若干伺服驱动器从站；所述控制器主站连接所有伺服驱动器从站，伺服驱动器从站与机器人本体上的伺服电机连接；所述控制器主站运行机器人运动控制算法，并具备和伺服驱动器从站进行周期同步位置控制的通信接口。本发明解决了在位置控制模式下，机器人对各种可能的输入姿态的适应能力，降低了伺服电机的过载、超速和堵转等报错的风险，滤除输入信号的噪声，同时可以保证机器人对输入位姿数据的跟踪速度。

Description

一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统和方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统和方法。

背景技术

近年来，随着机器人技术的飞速发展，机器人在工业或民用场合的应用也越来越广泛。然而，传统的机器人控制方法常采用位置同步模式下的轨迹插补算法，这种算法在数控加工领域已存在多年，主要用在固定轨迹的控制上，而对于高速变化轨迹的跟踪却不太适合。还有些基于转矩同步或速度同步模式的控制方法，可以跟随目标位置运动，但这些控制模式仅仅适合跟随运动，而在精度要求较高的固定轨迹控制时，控制模式的切换会造成操作上的不便，因此，研究出一种在机器人位置同步控制下的随动控制方法有着十分重要的现实意义。

现有的大多数机器人跟随控制算法因其控制方案的复杂性，操作人员往往难以整定出最佳的控制参数，导致系统的超调导致伺服报警或过阻尼导致跟随速度过慢，且无法实现高精度的固定位置插补运动，安全性低，可靠性差。目前国内关于机器人模拟运动控制平台的研究还停留在理论和方法的探索上，没有标准和完善的解决方案，尤其是在如何提高跟踪控制的快速性和准确性的具体实现上最具争议。

未来的发展趋势必然是柔性制造，机器人可以在位置同步控制模式下无缝地从数控插补控制模式切换到位置跟踪模式，跟踪微分器有如下优点：能够滤除噪声，没有超调，跟踪速度快，调参简便。本发明将跟踪微分器与机器人控制技术结合，解决了上述不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统和方法，提高了机器人跟随的安全性，可靠性，简便性、快速性和准确性，可提高工厂生产效率，或是提高模拟运动平台的逼真度，属于柔性的、无超调的、跟踪速度快的调参简便的机器人随动控制方案。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统，包括控制器主站、机器人本体和若干伺服驱动器从站；

所述控制器主站连接所有伺服驱动器从站，伺服驱动器从站与机器人本体上的伺服电机连接；

所述控制器主站运行机器人运动控制算法，并具备和伺服驱动器从站进行周期同步位置控制的通信接口。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的所述通信接口包括脉冲输出、现场总线和工业以太网总线。

上述的控制器主站具有外部通信接口，通过外部通信接口，获取外部控制信号，外部控制信号包含机器人需要跟踪的位姿信号、发送信号时当前时间的时间戳信号和其他控制命令。

上述的控制器主站读取外部控制信号的时间戳数据和位姿数据，根据时间戳对位姿进行精插补，获取平顺的运动轨迹；

所述伺服电机的电机轴端采用跟踪微分器进行跟踪控制，精插补后的位姿进行机器人运动学反解后，获得各个电机轴的角度，这些角度经过跟踪微分器后输入到伺服驱动器从站，进行位置控制。

上述的跟踪微分器的输入端设有位置限幅和速度限幅模块，而跟踪微分器本身有跟踪速度的参数，分别用于实现位置、速度和刚度参数限幅。

一种位置同步控制模式下的机器人随动控制方法，包括：

步骤1、伺服驱动器从站使能，控制器主站开机，将伺服的控制模式自动设置为位置同步控制模式；

步骤2、选择机器人的控制模式，可选的控制模式分为固定轨迹控制和位置随动控制两种，选择固定轨迹控制模式，则执行高精度轨迹规划算法；

选择位置随动控制，则执行步骤3；

步骤3、对外部控制信号的控制轨迹进行精插补：

通过接收外部控制信号中的时间戳，计算相邻两帧信号时间戳的时间差，将精插补的位置均布在相邻两帧信号时间戳的时间差里，做线性精插补；

步骤4、精插补后的数据进行机器人的运动学逆解，计算出每个伺服电机对应的角度值；

步骤5、对伺服电机的外部控制信号中的机器人需要跟踪的位姿信号及其微分进行限幅。

上述的步骤5包括：

步骤51、将机器人需要跟踪的位姿信号限制在一定范围内，大于这一范围上限，就令其等于这一上限，小于这一范围下限，就令其等于这一下限，实现位置限幅；

步骤52、将当前机器人需要跟踪的位姿信号与上一个机器人需要跟踪的位姿信号做差，计算出位置信号的变化量，将其除以控制器程序运行周期，得到控制电机转速的信号，将其限制在一定范围内，实现速度限幅；

步骤53、采用自抗扰控制技术中的二阶线性跟踪微分器跟踪经过位置限幅和速度限幅后的曲线，由于跟踪微分器具有滤波作用，输出后的曲线会对加速度和加加速度产生一定的限制，实现刚度限幅，跟踪微分器中的跟踪速度是其可调的一个参数，通过调节跟踪速度，达到对机器人限幅刚度的调节。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于精插补和二阶线性跟踪微分器，在机器人的末端对收到的外部控制信号中较为粗略的轨迹点进行精插补，然后在电机轴端进行位置、速度和加速度限幅，很好的适应了不同结构机器人对于位姿跟踪运动的要求，提高了跟踪速度，解决了传统控制方法调参麻烦，对现场操作人员专业知识要求高，控制有超调，造成伺服报警的问题；

2、本发明通过通信接口接收外部控制信号，对粗略的输入轨迹进行精插补，然后通过运动学逆解计算出电机轴的运动轨迹，然后调节控制器主站人机界面中的位置、速度和刚度的限幅参数，可以对机器人的关节轴端进行轨迹规划的限位保护；在机器人需要运行在精度较高的固定轨迹控制模式时，可以迅速从跟随模式切换过去，提供更好的使用体验。

3、本发明解决了在位置控制模式下，机器人对各种可能的输入姿态的适应能力，降低了伺服电机的过载、超速和堵转等报错的风险，滤除输入信号的噪声，同时可以保证机器人对外部控制信号中输入位姿数据的跟踪速度，适用于串联机械臂的视觉伺服跟踪控制及并联机器人运动模拟控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图1，本发明的一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统，包括控制器主站、机器人本体和若干伺服驱动器从站；

所述控制器主站连接所有伺服驱动器从站，伺服驱动器从站与机器人本体上的伺服电机连接；

所述控制器主站运行机器人运动控制算法，并具备和伺服驱动器从站进行周期同步位置控制的通信接口，例如脉冲输出、现场总线和工业以太网总线。

实施例中，所述控制器主站具有外部通信接口，例如以太网接口或者串行通讯接口，通过外部通信接口，获取外部控制信号，外部控制信号包含机器人需要跟踪的位姿信号、发送信号时当前时间的时间戳信号和其他控制命令。

实施例中，所述控制器主站读取外部控制信号的时间戳数据和位姿数据，根据时间戳对位姿进行精插补，获取平顺的运动轨迹；

所述伺服电机的电机轴端采用跟踪微分器进行跟踪控制，精插补后的位姿进行机器人运动学反解后，获得各个电机轴的角度，这些角度经过跟踪微分器后输入到伺服驱动器从站，进行位置控制。

实施例中，所述跟踪微分器的输入端设有位置限幅和速度限幅模块，而跟踪微分器本身有跟踪速度的参数，在位置和速度限幅一定条件下，跟踪速度和电机最大加速度呈正比，且跟踪速度越大，加速度限制越小，体现出的电机轴刚度越大，所以整个限幅后的跟踪微分器开放了位置、速度和刚度限幅参数。

参见图2，一种位置同步控制模式下的机器人随动控,方法，包括：

步骤1、伺服驱动器从站使能，控制器主站开机，将伺服的控制模式自动设置为位置同步控制模式；

步骤2、由用户选择机器人的控制模式，可选的控制模式分为固定轨迹控制和位置随动控制两种，固定轨迹控制的轮廓规划精度是最高的，插补周期和控制器主站程序运行周期一致，而位置随动模式由于信号发生端或是接收端的周期一般都大于控制器主站程序的运行周期，所以只能获得一个较为粗略的轨迹，所以需要对轨迹进行精插补。

即，选择固定轨迹控制模式，则执行高精度轨迹规划算法；

选择位置随动控制，则执行步骤3；

步骤3、对外部控制信号的控制轨迹进行精插补：

通过接收外部控制信号中的时间戳，计算相邻两帧信号时间戳的时间差，将精插补的位置均布在相邻两帧信号时间戳的时间差里，做线性精插补；

步骤4、精插补后的数据进行机器人的运动学逆解，计算出每个伺服电机对应的角度值；

步骤5、机器人的电机在角度，转速和转矩这些参数上都会有一定的范围，如果在控制上不加以限制，电机就会报警，影响生产和操作人员的安全。所以对伺服电机的位置控制信号中的机器人需要跟踪的位姿信号及其微分进行限幅。

步骤51、将机器人需要跟踪的位姿信号限制在一定范围内，大于这一范围上限，就令其等于这一上限，小于这一范围下限，就令其等于这一下限，实现位置限幅；

步骤52、将当前机器人需要跟踪的位姿信号与上一个机器人需要跟踪的位姿信号做差，计算出位置信号的变化量，将其除以控制器程序运行周期，得到控制电机转速的信号，将其限制在一定范围内，实现速度限幅；

步骤53、如果像前两步那样对加速度进行限幅，就会造成控制信号的超调乃至振荡，所以本发明为了既能进行加速度、加加速度(这里统称为刚度)的限幅，又不至于超调，采用自抗扰控制技术中的二阶线性跟踪微分器中的跟踪速度，实现刚度限幅。

在限速范围一定情况下，加速度的限幅值与二阶线性跟踪微分器中的跟踪速度这一参数几乎成正比，所以将跟踪速度作为调节刚度的参数。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统，其特征在于，包括控制器主站、机器人本体和若干伺服驱动器从站；

所述控制器主站连接所有伺服驱动器从站，伺服驱动器从站与机器人本体上的伺服电机连接；

所述控制器主站运行机器人运动控制算法，并具备和伺服驱动器从站进行周期同步位置控制的通信接口；

所述控制器主站读取外部控制信号的时间戳数据和位姿数据，根据时间戳对位姿进行精插补，获取平顺的运动轨迹；

所述伺服电机的电机轴端采用跟踪微分器进行跟踪控制，精插补后的位姿进行机器人运动学反解后，获得各个电机轴的角度，这些角度经过跟踪微分器后输入到伺服驱动器从站，进行位置控制。

2.根据权利要求1所述的一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统，其特征在于，所述通信接口包括脉冲输出、现场总线和工业以太网总线。

3.根据权利要求1所述的一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统，其特征在于，所述控制器主站具有外部通信接口，通过外部通信接口，获取外部控制信号，外部控制信号包含机器人需要跟踪的位姿信号、发送信号时当前时间的时间戳信号和其他控制命令。

4.根据权利要求1所述的一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统，其特征在于，所述跟踪微分器的输入端设有位置限幅和速度限幅模块，而跟踪微分器本身有跟踪速度的参数，分别用于实现位置、速度和刚度参数限幅。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、伺服驱动器从站使能，控制器主站开机，将伺服的控制模式自动设置为位置同步控制模式；

步骤2、选择机器人的控制模式，可选的控制模式分为固定轨迹控制和位置随动控制两种，选择固定轨迹控制模式，则执行高精度轨迹规划算法；

选择位置随动控制，则执行步骤3；

步骤3、对外部控制信号的控制轨迹进行精插补：

通过接收外部控制信号中的时间戳，计算相邻两帧信号时间戳的时间差，将精插补的位置均布在相邻两帧信号时间戳的时间差里，做线性精插补；

步骤4、精插补后的数据进行机器人的运动学逆解，计算出每个伺服电机对应的角度值；

步骤5、对伺服电机的外部控制信号中的机器人需要跟踪的位姿信号及其微分进行限幅。

6.根据权利要求5所述的一种位置同步控制模式下的机器人随动控制系统的 控制方法，其特征在于，包括：

步骤51、将机器人需要跟踪的位姿信号限制在一定范围内，大于这一范围上限，就令其等于这一上限，小于这一范围下限，就令其等于这一下限，实现位置限幅；

步骤52、将当前机器人需要跟踪的位姿信号与上一个机器人需要跟踪的位姿信号做差，计算出位置信号的变化量，将其除以控制器程序运行周期，得到控制电机转速的信号，将其限制在一定范围内，实现速度限幅；

步骤53、采用自抗扰控制技术中的二阶线性跟踪微分器跟踪经过位置限幅和速度限幅后的曲线，由于跟踪微分器具有滤波作用，输出后的曲线会对加速度和加加速度产生一定的限制，实现刚度限幅，跟踪微分器中的跟踪速度是其可调的一个参数，通过调节跟踪速度，达到对机器人限幅刚度的调节。

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