CN112882384A - 用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法和装置 - Google Patents

用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法和装置 Download PDF

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CN112882384A CN202110032010.3A CN202110032010A CN112882384A CN 112882384 A CN112882384 A CN 112882384A CN 202110032010 A CN202110032010 A CN 202110032010A CN 112882384 A CN112882384 A CN 112882384A
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吴军
王煜天
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Abstract

本申请提出一种用于机器人上伺服电机的电流‑力矩传递模型辨识方法和装置，涉及机电控制领域，其中，方法包括：获取机器人任一关节的理论传递函数；将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；根据输出信号确定机器人的实际传递函数；根据理论传递函数和所述实际传递函数确定机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。本申请在无法直接在机器人上安装传感器测量电机的电器参数时，有效辨识电机的电气参数，通过机器人关节的传递函数建立电机电流与电机输出扭矩间的传递模型，进而可以在关节电机参数有与标称值出现较大差距时，实现电机参数的快速校正。

Description

用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法和 装置
技术领域
本申请涉及机电控制技术领域，尤其涉及一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法和装置。
背景技术
通常，为了满足实际应用场合对电机控制性能如动态响应快、稳态精度高、鲁棒性强等需求，国内外提出来很多控制策略，大多数控制策略都需要准确的电机参数。通常情况下，可以在用户手册中得到相关电机的参数，但电机参数并不是固定不变的，例如电机的电阻值和转子时间常数随温度与频率的变化而变化。在恶劣环境下，电机某些电气参数可能会与标称值有较大差距，特别是对于轻型机械臂广泛使用的一体化关节而言。所以对于电机的参数辨识是有重要意义的，尤其是对于关键参数和变化可能较大的参数的辨识。对电机某些参数进行辨识时往往需要借助传感器，但在实际工作中如果电机已经安装在机器人上，往往难以安装传感器以测量电机的电气参数，对工作的复杂性有所增加，如实际工作时，机器人上电机的力矩灵敏度系数、电枢电阻、线圈电感等电气参数往往难以测量。
具体地，电机电流-力矩模型中的电气参数会因为环境不同而产生变化，尤其是恶劣在环境下，可能产生较大变化，但是安装在机器人上的电机的实际输出力矩是难以测量的，这将对控制模型的准确性产生影响。所以如何在不使用传感器的情况下，获得安装在机器人上的电机输入电流到输出力矩的准确传递函数，进一步通过电机关键参数辨识实验，实现关键电气参数的在线快速校正，对工作中快捷、便利的建立准确控制模型有重要意义。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法，在无法直接在机器人上安装传感器测量电机的电器参数时，有效辨识电机的电气参数，通过机器人关节的传递函数建立电机电流与电机输出扭矩间的传递模型，进而可以在关节电机参数有与标称值出现较大差距时，实现电机参数的快速校正。
本申请的第二个目的在于提出一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置。
为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法，包括：
获取机器人任一关节的理论传递函数；
将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；
根据所述输出信号确定所述机器人的实际传递函数；
根据所述理论传递函数和所述实际传递函数确定所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
本申请实施例的用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法，通过获取机器人任一关节的理论传递函数；将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；根据输出信号确定机器人的实际传递函数；根据理论传递函数和所述实际传递函数确定机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。本申请在无法直接在机器人上安装传感器测量电机的电器参数时，有效辨识电机的电气参数，通过机器人关节的传递函数建立电机电流与电机输出扭矩间的传递模型，进而可以在关节电机参数有与标称值出现较大差距时，实现电机参数的快速校正。
在本申请的一个实施例中，所述获取机器人任一关节的理论传递函数，包括：
获取所述机器人任一关节的数学模型；
根据所述数学模型进行求解，获取所述理论传递函数。
在本申请的一个实施例中，所述理论传递函数为：
Figure BDA0002892800130000021
其中，J为负载惯量，b为阻尼系数，c为刚度系数，T为时间常数；Kp为PID控制中，比例环节的放大系数，Kt为力矩常数，s为拉普拉斯算子。
在本申请的一个实施例中，所述读取输出信号，包括：
通过编码器或光栅尺处读取所述输出信号。
在本申请的一个实施例中，所述实际传递函数为：
Figure BDA0002892800130000022
其中，。a1、a2、a3、a4、a5为待测系数，，s为拉普拉斯算子。
在本申请的一个实施例中，所述根据所述理论传递函数和所述实际传递函数确定所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数，包括：
根据公式(1)和公式(2)获取方程组：
Figure BDA0002892800130000031
求解出Kt、J、T、b、c，将Kt与T带入
Figure BDA0002892800130000032
获取所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
在本申请的一个实施例中，所述用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法，还包括：
在仿真软件中将所述目标传递函数与所述理论传递函数进行仿真对比，对所述目标传递函数进行验证。
为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置，包括：
获取模块，用于获取机器人任一关节的理论传递函数；
读取模块，用于将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；
确定模块，用于根据所述输出信号确定所述机器人的实际传递函数；
处理模块，用于根据所述理论传递函数和所述实际传递函数确定所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
本申请实施例的用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置，通过获取机器人任一关节的理论传递函数；将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；根据输出信号确定机器人的实际传递函数；根据理论传递函数和所述实际传递函数确定机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。本申请在无法直接在机器人上安装传感器测量电机的电器参数时，有效辨识电机的电气参数，通过机器人关节的传递函数建立电机电流与电机输出扭矩间的传递模型，进而可以在关节电机参数有与标称值出现较大差距时，实现电机参数的快速校正。
在本申请的一个实施例中，所述获取模块，具体用于：
获取所述机器人任一关节的数学模型；
根据所述数学模型进行求解，获取所述理论传递函数。
在本申请的一个实施例中，所述读取模块，具体用于：
通过编码器或光栅尺处读取所述输出信号。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例一所提供的一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法的流程示意图；
图2为本申请实施例的关节上伺服电机的方块图；
图3为本申请实施例的仿真验证中时在SIMULINK中建立传递函数模型图；
图4为本申请实施例的扫频信号的输入、实际输出、仿真输出的结果；
图5为本申请实施例所提供的一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法和装置。
图1为本申请实施例一所提供的一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法的流程示意图。
如图1所示，该用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法包括以下步骤：
步骤101，获取机器人任一关节的理论传递函数。
在本申请实施例中，获取机器人任一关节的数学模型；根据数学模型进行求解，获取理论传递函数。
在本申请实施例中，理论传递函数为：
Figure BDA0002892800130000041
其中，J为负载惯量，b为阻尼系数，c为刚度系数，T为时间常数，Kp为比例系数，Kt为力矩常数，s为拉普拉斯算子。
其中，T为常数，称为时间常数，表示该环节的惯性，与环节结构参数有关，但在不同环境下，T可能发生改变，为本申请待测量之一；Kp为PID控制中，比例环节的放大系数，在本申请中为设定的定值。(例如在实例中K_p＝9000)Kt为常数，称为力矩常数，为电机中磁场对载流线圈的作用力矩与线圈中的电流的比值，(力矩T(t)＝K_t·i(t)电流)与电机结构有关，在电机出厂时为定值，但可能因为环境变化而产生变化。s为拉普拉斯算子(定义名称)。
步骤102，将位置信号输入机器人，读取输出信号。
在本申请实施例中，通过编码器或光栅尺处读取输出信号。
步骤103，根据输出信号确定机器人的实际传递函数。
步骤104，根据理论传递函数和实际传递函数确定机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
在本申请实施例中，实际传递函数为：
Figure BDA0002892800130000051
其中，。a1、a2、a3、a4、a5为待测系数，s为拉普拉斯算子。
在本申请实施例中，根据公式(1)和公式(2)获取方程组：
Figure BDA0002892800130000052
求解出Kt、J、T、b、c，将Kt与T带入
Figure BDA0002892800130000053
获取机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
在本申请实施例中，在仿真软件中将目标传递函数与理论传递函数进行仿真对比，对目标传递函数进行验证。
具体地，求得理论上机器人关节的传递函数，该机器人上关节的方块图如图2所示，其中r为位置指令，e为跟踪误差，i为电机电流，τ为输出扭矩，y为输出位置。G11为控制器。
仅考虑位置信号通道，将控制器设定为比例放大环节，即G11＝p。其中Kp为比例系数，在本次实验中将Kp设为9000，故G11＝9000。
电机电流与电机输出扭矩间的传递函数G12为一阶惯性环节，即
Figure BDA0002892800130000054
式中Kt为力矩系数，T为时间常数。
控制对象为一二阶系统，传递函数G13为：
Figure BDA0002892800130000055
式中J为负载惯量，b为阻尼系数，c为刚度系数。
则y与r之间的理论传递函数可以写为：
Figure BDA0002892800130000056
2)通过实验，辨识出机器人关节实际的传递函数：
在输入扫频信号指令r＝Asin(ωt)，幅值A为小幅值，扫频范围参考机器人工作频带，扫频时间为10s，赋值与频率如表1。利用编码器反馈扫频过程中的输出信号y，采集输入与输出的数据。
组号 幅值 扫频起始频率(Hz) 扫频终止频率(Hz)
1 100 1 10
2 200 1 10
3 400 1 5
4 500 1 5
5 600 1 5
6 800 1 5
表1为输入端给入扫频信号的赋值与频率
在Matlab系统辨识工具箱中设置传递函数阶数为3，将采集的输入与输出的数据输入，可以得到辨识结果：
Figure BDA0002892800130000061
具体的辨识结果如表2所示。
Figure BDA0002892800130000062
表2为辨识的位置信号通道的传递函数
3)求解电机电流与电机输出扭矩间的传递函数
将输入r与输出y的理论传递函数G与辨识的传递函数进行对比，即可得到方程组：
Figure BDA0002892800130000063
通过求解方程组，可以求解出Kt、J、T、b、c，将Kt与T带入G12可以求得辨识的电机电流与电机输出扭矩间的传递函数，具体结果如表3所示。
Figure BDA0002892800130000071
表3为辨识的电机参数、电机电流与电机输出扭矩间的传递函数
最后可以在Simulink中对电机电流与电机输出扭矩间的传递函数的辨识模型与实际模型进行仿真和对比，验证其有效性，Simulink中的传递函数模型如图3所示。各组扫频信号的输入、实际输出、仿真输出的结果如图4所示。通过实验结果可以看到，实际输出与辨识仿真输出的相似程度较好，证明该方法可以完成对机器人上伺服电机参数、电机电流与电机输出扭矩间的传递函数的辨识。
该方法可以在无需安装传感器的情况下，利用机器人自身控制系统有效辨识安装在机器人上的电机电流与电机输出扭矩间的传递函数，可以有效增加在复杂环境下的机器人的控制精度。
本申请实施例的用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法，通过获取机器人任一关节的理论传递函数；将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；根据输出信号确定机器人的实际传递函数；根据理论传递函数和所述实际传递函数确定机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。本申请在无法直接在机器人上安装传感器测量电机的电器参数时，有效辨识电机的电气参数，通过机器人关节的传递函数建立电机电流与电机输出扭矩间的传递模型，进而可以在关节电机参数有与标称值出现较大差距时，实现电机参数的快速校正。
为了实现上述实施例，本申请还提出一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置。
图5为本申请实施例提供的一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置的结构示意图。
如图5所示，该用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置包括：获取模块510、读取模块520、确定模块530和处理模块540。
获取模块510，用于获取机器人任一关节的理论传递函数。
读取模块520，用于将位置信号输入所述机器人，读取输出信号。
确定模块530，用于根据所述输出信号确定所述机器人的实际传递函数。
处理模块540，用于根据所述理论传递函数和所述实际传递函数确定所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
在本申请实施例中，获取模块510，具体用于：获取所述机器人任一关节的数学模型；根据所述数学模型进行求解，获取所述理论传递函数。
在本申请实施例中，读取模块520，具体用于：通过编码器或光栅尺处读取所述输出信号。
本申请实施例的用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置，通过获取机器人任一关节的理论传递函数；将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；根据输出信号确定机器人的实际传递函数；根据理论传递函数和所述实际传递函数确定机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。本申请在无法直接在机器人上安装传感器测量电机的电器参数时，有效辨识电机的电气参数，通过机器人关节的传递函数建立电机电流与电机输出扭矩间的传递模型，进而可以在关节电机参数有与标称值出现较大差距时，实现电机参数的快速校正。
需要说明的是，前述对用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法实施例的解释说明也适用于该实施例的用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置，此处不再赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取机器人任一关节的理论传递函数；
将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；
根据所述输出信号确定所述机器人的实际传递函数；
根据所述理论传递函数和所述实际传递函数确定所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在，所述获取机器人任一关节的理论传递函数，包括：
获取所述机器人任一关节的数学模型；
根据所述数学模型进行求解，获取所述理论传递函数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在，所述理论传递函数为：
Figure FDA0002892800120000011
其中，J为负载惯量，b为阻尼系数，c为刚度系数，T为时间常数；Kp为PID控制中，比例环节的放大系数，Kt为力矩常数，s为拉普拉斯算子。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在，所述读取输出信号，包括：
通过编码器或光栅尺处读取所述输出信号。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在，所述实际传递函数为：
Figure FDA0002892800120000012
其中，a1、a2、a3、a4、a5为待测系数，s为拉普拉斯算子。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在，所述根据所述理论传递函数和所述实际传递函数确定所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数，包括：
根据公式(1)和公式(2)获取方程组：
Figure FDA0002892800120000021
求解出Kt、J、T、b、c，将Kt与T带入
Figure FDA0002892800120000022
获取所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
7.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在，还包括：
在仿真软件中将所述目标传递函数与所述理论传递函数进行仿真对比，对所述目标传递函数进行验证。
8.一种用于机器人上伺服电机的电流-力矩传递模型辨识装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取机器人任一关节的理论传递函数；
读取模块，用于将位置信号输入所述机器人，读取输出信号；
确定模块，用于根据所述输出信号确定所述机器人的实际传递函数；
处理模块，用于根据所述理论传递函数和所述实际传递函数确定所述机器人上伺服电机的关键参数和电机电流与电机输出扭矩间的目标传递函数。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在，所述获取模块，具体用于：
获取所述机器人任一关节的数学模型；
根据所述数学模型进行求解，获取所述理论传递函数。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在，所述读取模块，具体用于：
通过编码器或光栅尺处读取所述输出信号。
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