CN113199473A - 一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，包括如下步骤：机器人上位控制器通过工业通讯总线发送调节指令给多轴机械臂上的驱动器；根据收到的调节指令进行微振式参数调节；驱动器将调节过程参数发送至机器人上位控制器；根据汇总参数判断是否调节完成，发送验证运转指令；根据收到的运转指令进行性能验证；发送每一轴的运转参数；判断驱动器的性能是否达标。其中本发明的有益效果是：解决了多轴机械臂关节伺服系统参数自调节的问题，不需要伺服电机旋转，不需要一个一个轴的依次进行参数调节，多轴电机系统同时进行参数自调节，从而使得参数调节过程简单，快速，安全，可靠，节省调试时间，提高调试效率。

Description

一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，特别涉及一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法。

背景技术

目前对于工业机器人领域或者服务机器人领域，一般具有6或8关节，从而实现多自由度动作。每一个关节均需要配置一套伺服驱动系统实现指令的接收，伺服电机的控制等功能。一套伺服驱动系统由一台伺服电机和一台伺服驱动器组成。

每台伺服系统均需要在安装完成到位之后对控制参数进行调试，以达到最优性能。

传统的控制参数调节方法一般多基于自动化生产线上的场景完成，比如执行伺服控制参数自整定时，在电机和负载耦合在一起的情况下，电机通过加速，减速，反复正反转动作过程完成对伺服系统某些参数的识别进而对内部控制参数的设置，从而达到一定的性能要求。

但在机器人机械臂这类场景上，如果利用上述传统的方法进行，很多情况下是受限的或者不适合。因为机械臂有多个伺服系统以及机械臂固有的机械系统特性及所在环境空间安全考量，对每一个伺服系统无法通过反复加减速，反复正反转的情况进行系统参数识别；另外，机械臂系统是一个高度耦合高度动态的系统负载，伺服系统之间互相影响，使得伺服参数调节过程比较复杂，从而给参数调节带来难度。

目前通常情况下，由具有相关丰富经验的工程师现场调试参数，边调试边检验运行效果，直到满足动作要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，本发明的技术方案是这样实施的：

一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，包括如下步骤：

S1、机器人上位控制器通过工业通讯总线发送调节指令给多轴机械臂上的N个驱动器；

S2、所述驱动器根据收到的调节指令进行微振式参数调节；

S3、调节过程中所述驱动器将调节过程参数发送至所述机器人上位控制器；

S4、所述机器人上位控制器根据汇总参数判断是否调节完成，若完成进行下一步，否则继续进行S2；

S5、所述机器人上位控制器发送验证运转指令给所述驱动器；

S6、所述驱动器根据收到的运转指令进行性能验证；

S7、所述驱动器将每一轴的运转参数发送给所述机器人上位控制器；

S8、所述机器人上位控制器判断N个所述驱动器的性能是否达标，若达标结束自整定，否则继续进行S2；

所述驱动器内部集成有基于继电反馈方法的参数调节控制算法。

优选地，所述驱动器控制环路包括速度环、控制对象、开关和继电器函数；所述速度环和所述继电器函数为并联关系并受所述开关控制，所述开关与所述控制对象串联。

优选地，所述继电器函数采用滞环继电函数。

优选地，：S2步骤中所述驱动器基准速度为0。

优选地，：所述S8中判断是否达标的性能包括速度性能指标和位置性能指标。

优选地，N个所述驱动器受所述机器人上位控制器单独控制。

优选地，N的数量为6。

优选地，所述方法应用于工业机器人。

实施本发明的技术方案可解决现有技术中多轴机械臂传统的参数自整定方法受到了限制的技术问题；实施本发明的技术方案，通过总线控制型多轴伺服参数自调节方法，该调试方法下，各伺服系统电机不需要传统的正反转不断加减速过程即可得到相应的控制参数，且多轴伺服是同时进行的，具有调节时间快速，安全的特点。

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为基于工业通讯总线的多轴机械臂伺服参数群体自整定控制流程图；

图2为嵌入了继电器函数的伺服电机控制环路图；

图3为滞环继电函数；

图4为等幅振荡波形参数波形图；

图5为等幅振荡时继电函数输入输出波形图；

图6为等幅振荡判断图；

图7为自动调节滞环的输入输出以使系统振荡过程示意图；

图8为调节参数自调整和性能验证过程示意图；

图9为速度控制性能评价指标图。

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。

实施例

在一种具体的实施例中，如图1所示，一种基于工业通讯总线的多轴机械臂伺服参数群体自整定控制方法，本实施例中采用伺服控制器为例，包括如下步骤：

S1、机器人上位控制器通过工业通讯总线发送调节指令给多轴机械臂上的N个伺服驱动器；

S2、所述伺服驱动器根据收到的调节指令进行微振式参数调节；

S3、调节过程中所述伺服驱动器将调节过程参数发送至所述机器人上位控制器；

S4、所述机器人上位控制器根据汇总参数判断是否调节完成，若完成进行下一步，否则继续进行S2；

S5、所述机器人上位控制器发送验证运转指令给所述伺服驱动器；

S6、所述伺服驱动器根据收到的运转指令进行性能验证；

S7、所述伺服驱动器将每一轴的运转参数发送给所述机器人上位控制器；

S8、所述机器人上位控制器判断N个所述伺服驱动器的性能是否达标，若达标结束自整定，否则继续进行S2；

所述伺服驱动器内部集成有基于继电反馈方法的参数调节控制算法。S2步骤中所述伺服驱动器基准速度为0。伺服驱动器受所述机器人上位控制器单独控制，

在本实施例中，每一台伺服驱动器上均集成有工业通讯总线，比如CanOpen,或者EtherCat总线。每一台伺服驱动器内部均集成有基于继电反馈方法的参数调节控制算法，该方法设置在电机基准速度为零时，进行微振式参数调节。调节过程中，各伺服驱动器将通过控制总线上传相应参数至机器人上位控制器，机器人上位控制器根据汇总的参数判断第一阶段调节是否结束。

第一阶段调节过程结束后，机器人上位控制器需要进入性能验证环节，在性能验证环节，机器人上位控制器给每一轴伺服发运转指令，然后收集每一轴的运转参数，判断是否达到预期性能，如果达到预期性能，表明调试成功。

根据现场技术要求，可重复上述动作，并取得最优值。

本实施例以六轴机械臂为例，但本发明不仅限于六轴机械臂，本实施例改进的基准速度为零的继电反馈方法，引入到伺服参数调节过程，应用于机械臂伺服系统，本实施例基于工业通讯总线的多轴伺服参数自调节控制策略并基于若干反映性能指标的调试性能自动判断策略，调试过程自动进行，无需人工参与，机械臂无明显运动迹象，安全性高。

本实施例的基本工作原理如下：

1，继电反馈法原理

所述伺服驱动器控制环路如图2所示，包括速度环、控制对象、开关和继电器函数；所述速度环和所述继电器函数为并联关系并受所述开关控制，所述开关与所述控制对象串联。当进行继电反馈控制时，开关k和1连接，则继电器函数成为控制环路的一个环节，原控制环节断开。

为增加系统抗扰性，继电器函数采用了滞环继电函数，如图3所示，图中e为滞环宽度，实际为速度误差门限值；h为继电幅值，此处为输出转矩指令值。

当适当调整继电函数的输入和输出幅值时，速度波形出现等幅振荡，当各周期振荡幅值和周期一致时，说明系统临界振荡的条件满足。

由此可以计算该等幅振荡的波形参数，如图4所示，得到周期Tu，幅值α。

则系统的临界振荡增益和临界频率如下公式所示：

当系统处于等幅振荡状态时，继电函数输入输出关系如图5所示，要产生稳定的极限环，系统必须满足如下条件，控制对象在高频区域内输出滞后输入至少-π弧度相位，即图5所示。当系统临界参数得到后，根据阻尼振荡法，可得到速度环控制参数如下：

本发明判断系统进入了等幅振荡，是根据对速度信号的傅里叶分析进行的。如图6所示，把速度信号进行傅里叶分析，得到基波信号，分析出该基波信号的幅值和频率。速度信号被分成了第一波形串以及第二波形串，当第一波形串得到的基波幅值与第二波形串的基波幅值近似相等，频率近似相同时，认为系统进入了等幅振荡状态，此时的波形周期信号和幅值信号可以作为后续计算的基础。其中第一波形串和第二波形串可以采样若干周期信号，如3～5个周期信号；第一波形串和第二波形串之间间隔若干周期。

系统的速度给定为零速，给定零速比较安全，当系统处于等幅振荡时，系统在零速附近微振。

自动整定过程如图7所示，以上描述的是单台驱动器内置的参数自整定基本原理。本发明中，单台伺服驱动器开始执行自整定指令是由机器人上位控制器通过工业通讯总线发出的。

2，基于工业控制总线的多轴伺服参数自调节策略

机器人上位控制器发出参数群体调节指令，每一台驱动器在总线中具有对应的通讯网络节点号，收到参数调节指令后，启动内部参数自调节程序，自主进行调节，调节完成后，分别发送完成指令标志给上位机，上位机接受到6台均完成指令后，准备启动第二阶段性能验证环节。如图8所示。

3，多轴伺服性能验证评价策略

此阶段，上位控制器发送关节电机运转指令，每一台伺服电机均需要一定速度旋转一定角度，同时，每一台伺服电机返回运行数据至上位机，上位机调用性能评价算法分别进行性能评价，最终给出是否达到自整定的目的要求的标志。

具体为，上位机控制器规划一定范围机械臂运动的轨迹，每一台伺服关节施加基本一致的加减速以及运转角度值，上位机控制器通过读取各台驱动器内的总线对象字典中的相关数据，实时获取各台伺服电机的运动参数，如运转速度，角度，加减速度，加减速时间，位置误差等参数值，然后由此判断是否达到性能要求。速度性能评价指标如图9所示，每台关节伺服电机在相同的速度轨迹指令下，通过如下3个指标进行评价：

Δt1:关节电机加速到目标速度的时间差异区间；

到达目标速度误差：是否在+-15％的误差范围内；(+-15％可酌情设置为其他值)；

Δt2：速度降为0速时的到达时间差异区间；

Δt1和Δt2根据实际机械臂具体情况可进行设置。

如果6轴伺服电机的3项指标均落在相应区间，则表明速度环整定参数符合要求。

位置性能指标评价如下：

位置误差ΔP:要求每台关节电机最终位置误差范围在该范围内，6台均满足，即表示符合要求。

只有当上述两类指标(速度性能指标Δt1，Δt2和速度误差，位置性能指标ΔP共计四个指标)均满足要求才可以判定该群体参数自整定成功。

在一种优选的实施方式中，所述方法应用于工业机器人。

本发明虽然以多轴机器人用伺服为例，但本发明还在其他工业领域的某些场合应用具有较强的优越性，因此本发明需要保护在其他工业应用领域的应用。

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 (8)

1.一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、机器人上位控制器通过工业通讯总线发送调节指令给多轴机械臂上的N个驱动器；

S2、所述驱动器根据收到的调节指令进行微振式参数调节；

S3、调节过程中所述驱动器将调节过程参数发送至所述机器人上位控制器；

S4、所述机器人上位控制器根据汇总参数判断是否调节完成，若完成进行下一步，否则继续进行S2；

S5、所述机器人上位控制器发送验证运转指令给所述驱动器；

S6、所述驱动器根据收到的运转指令进行性能验证；

S7、所述驱动器将每一轴的运转参数发送给所述机器人上位控制器；

S8、所述机器人上位控制器判断N个所述驱动器的性能是否达标，若达标结束自整定，否则继续进行S2；

所述驱动器内部集成有基于继电反馈方法的参数调节控制算法。

2.根据权利要求1所述的一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，其特征在于：所述驱动器控制环路包括速度环、控制对象、开关和继电器函数；所述速度环和所述继电器函数为并联关系并受所述开关控制，所述开关与所述控制对象串联。

3.根据权利要求2所述的一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，其特征在于：所述继电器函数采用滞环继电函数。

4.根据权利要求3所述的一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，其特征在于：S2步骤中所述驱动器基准速度为0。

5.根据权利要求4所述的一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，其特征在于：所述S8中判断是否达标的性能包括速度性能指标和位置性能指标。

6.根据权利要求5所述的一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，其特征在于：N个所述驱动器受所述机器人上位控制器单独控制。

7.根据权利要求6所述的一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，其特征在于：N的数量为6。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种多轴机械臂控制参数群体自整定方法，其特征在于：所述方法应用于工业机器人。

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