CN112720482A - 一种工业机器人运动控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种工业机器人运动控制方法，包括：根据机器人的末端给定位姿Xd经过轨迹规划，生成第i个关节轴的期望位置θi以及由所有关节轴的期望位置所组成的关节轴期望位置向量θ；根据θ和机器人的连杆刚体动力学模型生成第i个关节轴的负载力矩τi；对τi分别进行轨迹补偿处理和低通滤波处理，得到第i个关节轴的轨迹偏差补偿量Δθi和前馈力矩补偿量τffwi；将轨迹偏差补偿量Δθi与第i个关节轴的期望位置θi之和作为第i个关节轴的位置控制环的给定输入θri，将前馈力矩补偿量τffwi加入到第i个关节轴的电流控制环的输入处；根据第i个关节轴的电流控制环的输出获得第i个关节轴的给定转矩。本发明解决了由于机器人关节轴刚度不足造成的轨迹跟踪偏差过大及抖动问题。

Description

一种工业机器人运动控制方法
技术领域
本发明涉及工业机器人的运动控制技术。
背景技术
工业机器人运动控制是为了满足机器人对输入轨迹的快速响应，对外部扰动的抑制，以此来保证轨迹跟踪精度。由于现代工业机器人本体设计总体趋势向轻量化发展，使用更轻质的材质和更小的减速机，导致机器人连杆刚度和关节轴刚度减小，因此在机器人运动过程中较容易出现抖动和较大的轨迹跟踪偏差。机器人在运动过程中，多轴联动产生耦合作用力，同时也会因为作业场景而受到外部作用力，如打磨、切割等产生的作用力，由于关节刚度和连杆刚度减小，机器人关节轴谐振频率会降低，提高伺服控制器带宽会受到限制，由此也降低了机器人伺服控制器对高速轨迹的快速且精准的跟踪能力，同时抗扰动性能也会降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种工业机器人运动控制方法，其能够解决由于机器人关节轴刚度不足造成的轨迹跟踪偏差过大及抖动问题。
根据本发明实施例的一种工业机器人运动控制方法，包括以下步骤：
根据机器人的末端给定位姿Xd经过轨迹规划，生成第i个关节轴的期望位置θi以及由所有关节轴的期望位置所组成的关节轴期望位置向量θ；
根据θ和机器人的连杆刚体动力学模型生成第i个关节轴的负载力矩τi；
对τi分别进行轨迹补偿处理和低通滤波处理，得到第i个关节轴的轨迹偏差补偿量Δθi和前馈力矩补偿量τffwi；
将轨迹偏差补偿量Δθi与第i个关节轴的期望位置θi之和作为第i个关节轴的位置控制环的给定输入θri，将前馈力矩补偿量τffwi加入到第i个关节轴的电流控制环的输入处；
根据第i个关节轴的电流控制环的输出获得第i个关节轴的给定转矩。
本发明至少具有以下优点：
1、本实施例的工业机器人运动控制方法根据精准且完备的机器人连杆刚体动力学模型及柔性关节动力学进行轨迹纠偏控制补偿，提高了机器人末端轨迹跟踪精度，并能抑制机器人运动过程中的抖动；
2、本实施例在不需要改变原有伺服控制回路的结构及参数的情况下，解决了由于机器人关节轴刚度不足造成的轨迹跟踪偏差过大及抖动问题；
3、本实施例根据精准且完备的机器人连杆刚体动力学模型进行前馈控制，提高了机器人的快速响应特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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示出了根据本发明一实施例的工业机器人运动控制方法的控制框图。
图2示出了根据本发明一实施例的机器人末端轨迹纠偏计算的原理框图。
图3示出了根据本发明一实施例的计算关节轴前馈补偿力矩的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
根据本发明实施例的一种工业机器人运动控制方法，包括以下步骤：
根据机器人的末端给定位姿Xd经过轨迹规划，生成第i个关节轴的期望位置θi以及由所有关节轴的期望位置所组成的关节轴期望位置向量θ(即所有关节轴的角度)；1≤i≤N，N为机器人的轴数；
根据θ和机器人的连杆刚体动力学模型生成第i个关节轴的负载力矩τi；
对τi分别进行轨迹补偿处理和低通滤波处理，得到第i个关节轴的轨迹偏差补偿量Δθi和前馈力矩补偿量τffwi；
将轨迹偏差补偿量Δθi与第i个关节轴的期望位置θi之和作为第i个关节轴的位置控制环的给定输入θri，将前馈力矩补偿量τffwi加入到第i个关节轴的电流控制环的输入处；
根据第i个关节轴的电流控制环的输出获得第i个关节轴的给定转矩。
图1示出了根据本发明一实施例的工业机器人运动控制方法的控制框图。图1中左边的虚线框S1为机器人末端轨迹纠偏计算的控制框，在机器人控制器中执行，右边的虚线框S2为计算关节轴前馈补偿力矩的控制框，其在机器人关节轴伺服控制器中执行。虚线框S1包括轨迹规划器11、刚体动力学计算器12和轨迹补偿器13。虚线框S2包括低通滤波器21、伺服控制回路22、功率放大器23和柔性关节轴模型24。
在虚线框S1中，用户给定机器人的末端给定位姿Xd，经过轨迹规划器11生成第i个关节轴的期望位置θi以及由所有关节轴的期望位置所组成的关节轴期望位置向量θ，i为对应关节轴号。刚体动力学计算器12根据θ生成第i个关节轴运动所受到的负载力矩τi：
Figure BDA0002853217350000031
τi为第i个关节轴的总的动力学模型力矩；
Figure BDA0002853217350000032
为关节轴的惯性力矩，
Figure BDA0002853217350000033
为关节轴的耦合惯性力矩，
Figure BDA0002853217350000034
为关节轴的离心力矩，
Figure BDA0002853217350000035
为关节轴的科氏力矩，τgrav,i(θ)为关节轴的重力矩；θ为机器人的关节轴期望位置向量；
Figure BDA0002853217350000036
分别为第i关节轴的速度和加速度；
Figure BDA0002853217350000037
分别为第j关节轴的速度和加速度；Ji为第i关节轴的转动惯量；Jij为第j关节轴对第i关节轴的耦合转动惯量。
负载力矩τi输入到轨迹补偿器13和低通滤波器21。请结合图2所示，轨迹补偿器13中，b为第i个关节轴的关节阻尼系数，k为第i个关节轴的关节刚度系数，b和k的取值可以通过机器人动力学模型辨识或者减速机手册获取，s为拉普拉斯算子。
工业机器人关节轴模型可以等效为如下弹簧阻尼器模型：
Figure BDA0002853217350000038
其中，θmi和
Figure BDA0002853217350000039
分别为电机角度和速度。轨迹补偿器输出为Δθi：
Figure BDA0002853217350000041
将轨迹偏差补偿量Δθi与第i个关节轴的期望位置θi之和作为第i个关节轴的位置控制环的给定输入θri作为伺服控制回路22的位置控制环的给定输入θri。
图3为图1中虚线框S2的具体实现形式，其输入为来自虚线框S1的机器人关节轴负载力矩τi和位置控制环的给定输入θri。
伺服控制回路22为工业机器人伺服控制常见形式，由位置控制控制环、速度控制环和电流控制环组成，Kpp为位置控制环比例参数，Kpv为速度控制环比例参数，Kvi为速度控制环积分参数。
第i个关节轴的负载力矩τi经过低通滤波器21的低通滤波处理后输出前馈力矩补偿量τffwi:
Figure BDA0002853217350000042
ωLP为滤波器带宽，ωLP小于机器人的第i个关节轴的谐振频率ωr，s为拉普拉斯算子，ζLP为滤波器阻尼系数，
Figure BDA0002853217350000043
k为第i个关节轴的关节刚度系数，Jl为第i个关节轴的连杆转动惯量，Jm为第i个关节轴的电机转动惯量。由于机器人在谐振频率处增益会增大，机器人末端会出现抖动现象，因此本实施例将ωLP的值设为小于谐振频率ωr。
前馈力矩补偿量τffwi和速度控制环的输出相加后输入电流控制环，电流控制环的输出经过功率放大器23放大后，获得第i个关节轴的给定转矩，利用该给定转矩控制机器人的第i个关节轴(柔性关节轴)运动。对于具有N个轴的机器人来说，同时计算N个关节轴的轨迹偏差补偿量Δθi和前馈力矩补偿量τffwi，并据此获得N个关节轴的给定转矩，利用该N个关节轴的给定转矩控制机器人的N个关节轴运动。当机器人为六轴机器人时，1≤i≤6。
本发明实施例的机器人运动控制方法可以解决机器人在运动过程中由于关节轴刚度不足而产生的轨迹跟踪偏差问题，同时也可以减少机器人末端抖动问题，实现机器人轨迹跟踪的快速性和精确性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种工业机器人运动控制方法，其特征在于，包括：
根据机器人的末端给定位姿Xd经过轨迹规划，生成第i个关节轴的期望位置θi以及由所有关节轴的期望位置所组成的关节轴期望位置向量θ；
根据θ和机器人的连杆刚体动力学模型生成第i个关节轴的负载力矩τi；
对τi分别进行轨迹补偿处理和低通滤波处理，得到第i个关节轴的轨迹偏差补偿量Δθi和前馈力矩补偿量τffwi；
将轨迹偏差补偿量Δθi与第i个关节轴的期望位置θi之和作为第i个关节轴的位置控制环的给定输入θri，将前馈力矩补偿量τffwi加入到第i个关节轴的电流控制环的输入处；
根据第i个关节轴的电流控制环的输出获得第i个关节轴的给定转矩。
2.如权利要求1所述的一种工业机器人运动控制方法，其特征在于，
Figure FDA0002853217340000011
τi为第i个关节轴的总的动力学模型力矩；
Figure FDA0002853217340000012
为关节轴的惯性力矩，
Figure FDA0002853217340000013
为关节轴的耦合惯性力矩，
Figure FDA0002853217340000014
为关节轴的离心力矩，
Figure FDA0002853217340000015
为关节轴的科氏力矩，τgrav,i(θ)为关节轴的重力矩；θ为机器人的关节轴期望位置向量；
Figure FDA0002853217340000016
分别为第i关节轴的速度和加速度；
Figure FDA0002853217340000017
分别为第j关节轴的速度和加速度；Ji为第i关节轴的转动惯量；Jij为第j关节轴对第i关节轴的耦合转动惯量。
3.根据权利要求1或2所述的一种工业机器人运动控制方法，其特征在于，
Figure FDA0002853217340000018
其中，b为第i个关节轴的关节阻尼系数，s为拉普拉斯算子，k为第i个关节轴的关节刚度系数。
4.根据权利要求1所述的一种工业机器人运动控制方法，其特征在于，
Figure FDA0002853217340000021
ωLP为滤波器带宽，ωLP小于机器人的第i个关节轴的谐振频率ωr，s为拉普拉斯算子，ζLP为滤波器阻尼系数，
Figure FDA0002853217340000022
k为第i个关节轴的关节刚度系数，Jl为第i个关节轴的连杆转动惯量，Jm为第i个关节轴的电机转动惯量。
5.根据权利要求1所述的一种工业机器人运动控制方法，其特征在于，所述第i个关节轴为柔性关节轴。
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