CN114932561B - 一种机器人单关节位置控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种机器人单关节位置控制方法，包括：建立机器人单关节动力学系统；根据单关节运动建模定义x的函数、目标电机端位置
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的函数；定义一个李雅普诺夫函数
Figure 554308DEST_PATH_IMAGE002
；定义目标电机速度的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；根据上述参数计算得到最终控制电机加速度的控制量
Figure 608983DEST_PATH_IMAGE004
。

Description

一种机器人单关节位置控制方法
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种机器人单关节位置控制方法。
背景技术
随着工业机器人应用领域的不断扩大以及现代工业的快速发展，人们对工业机器人性能的要求越来越高，以进一步提高生产效率和产品质量，因此高速、高精度成为目前机器人控制的发展趋势。
但是目前机器人控制还面临着一些重要挑战，因为机器人是一个强非线性，强时变性，强耦合系统，且在系统建模过程中有很多的不确定性，如外部扰动，系统参数的建立和变化等。
目前机器人主要采用单关节伺服传统三环PI控制方法。该方法是目前使用最普遍的控制方法，无需控制模型，通过纠正偏差达到指令目标。但是由于机器人单关节的柔性，会产生很大的位置误差和力矩误差，期望外的过度过程，甚至影响系统的稳定性。所以机器人单关节的高速度高精度仍然是现代机器人控制面临的挑战。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种机器人单关节位置控制方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种机器人单关节位置控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立机器人单关节动力学系统；其中，所述机器人单关节动力学系统模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
：连杆端角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
：电机端角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
: 连杆端惯量；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
：连杆端科氏力项；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
：连杆刚度；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
：电机端惯量；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
：电机端阻尼；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
：电机端出力；
步骤S2，根据单关节运动建模定义x的函数、目标电机端位置
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的函数；
步骤S3，定义一个李雅普诺夫函数
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
Figure DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure DEST_PATH_IMAGE032
Figure DEST_PATH_IMAGE034
：为负定义的函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
：非负常数，用来表示系统的不确定性；Xd : 笛卡尔空间位置指令；Qd : 连杆端目标位置；Ex : 笛卡尔空间位置误差；E1 : 连杆端位置误差；E2 : 连杆端速度误差；
步骤S4，定义目标电机速度的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；
步骤S5，根据上述参数计算得到最终控制电机加速度的控制量
Figure DEST_PATH_IMAGE040
。
进一步，在所述步骤S2中，所述根据单关节运动建模定义
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的函数，及目标电机端位置
Figure DEST_PATH_IMAGE044
的函数，包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
Figure DEST_PATH_IMAGE048
；
x：笛卡尔实际位置；
f : 笛卡尔空间速度的运动学模型，通过单关节的位置时间和结构特性建立的函数；
g : 目标位置的运动学模型，通过单关节的位置时间和结构特性建立的函数；
t : 时间变量。
进一步，在所述步骤S4中，所述定义目标电机速度的函数
Figure 746618DEST_PATH_IMAGE038
，包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
；
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
；
Figure DEST_PATH_IMAGE054
；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
：可调参数，调整电机位置收敛速度的正数。
进一步，在所述步骤S4中，所述计算得到最终控制电机加速度的控制量
Figure 328778DEST_PATH_IMAGE040
，包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE058
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
：可调参数，调整电机速度收敛速度的正数。
根据本发明实施例的机器人单关节位置控制方法，通过机器人加入电机端目标速度控制的单关节位置控制策略，考虑关节刚度，用以提升控制精度。通过单关节动力学控制单关节连杆的加速度，来精确控制位置。本发明通过对单关节建模，提高了单关节位置的控制精度。本发明设计应用于机器人单关节的位置控制。 通过李雅普诺夫函数和电机目标速度控制的加入提高系统的控制精度和稳定性。综合后显著提高了系统的精度和稳定性。
本发明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，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的机器人单关节位置控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的机器人单关节位置控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立机器人单关节动力学系统；其中，机器人单关节动力学系统模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
其中：
Figure 657997DEST_PATH_IMAGE006
：连杆端角度；
Figure 280126DEST_PATH_IMAGE008
：电机端角度；
Figure 343897DEST_PATH_IMAGE010
: 连杆端惯量；
Figure 73956DEST_PATH_IMAGE012
：连杆端科氏力项；
Figure 273993DEST_PATH_IMAGE014
：连杆刚度；
Figure 798515DEST_PATH_IMAGE016
：电机端惯量；
Figure 349582DEST_PATH_IMAGE018
：电机端阻尼；
Figure 617753DEST_PATH_IMAGE020
：电机端出力。
步骤S2，根据单关节运动建模定义x的函数、目标电机端位置
Figure 937876DEST_PATH_IMAGE022
的函数。
具体的，根据单关节运动建模定义
Figure 164458DEST_PATH_IMAGE042
的函数，及目标电机端位置
Figure 202821DEST_PATH_IMAGE044
的函数，包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE046A
Figure 882806DEST_PATH_IMAGE048
。
x：笛卡尔实际位置；
f : 笛卡尔空间速度的运动学模型，通过单关节的位置时间和结构特性建立的函数；
g : 目标位置的运动学模型，通过单关节的位置时间和结构特性建立的函数；
t : 时间变量。
步骤S3，定义一个李雅普诺夫函数
Figure 323014DEST_PATH_IMAGE024
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
Figure DEST_PATH_IMAGE032A
Figure 969765DEST_PATH_IMAGE034
：为负定义的函数；
Figure 229845DEST_PATH_IMAGE036
：非负常数，用来表示系统的不确定性；Xd : 笛卡尔空间位置指令；Qd : 连杆端目标位置；Ex : 笛卡尔空间位置误差；E1 : 连杆端位置误差；E2 : 连杆端速度误差。
步骤S4，定义目标电机速度的函数
Figure 105397DEST_PATH_IMAGE038
。
具体的，定义目标电机速度的函数
Figure 134533DEST_PATH_IMAGE038
，包括：
Figure 705848DEST_PATH_IMAGE050
；
其中：
Figure 187645DEST_PATH_IMAGE052
；
Figure 866888DEST_PATH_IMAGE054
；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
：可调参数，调整电机位置收敛速度的正数。
步骤S5，根据上述参数计算得到最终控制电机加速度的控制量
Figure 281688DEST_PATH_IMAGE040
。
具体的，计算得到最终控制电机加速度的控制量
Figure 20974DEST_PATH_IMAGE040
，包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE058A
其中，
Figure 583543DEST_PATH_IMAGE060
：可调参数，调整电机速度收敛速度的正数。
根据本发明实施例的机器人单关节位置控制方法，通过机器人加入电机端目标速度控制的单关节位置控制策略，考虑关节刚度，用以提升控制精度。通过单关节动力学控制单关节连杆的加速度，来精确控制位置。本发明通过对单关节建模，提高了单关节位置的控制精度。本发明设计应用于机器人单关节的位置控制。 通过李雅普诺夫函数和电机目标速度控制的加入提高系统的控制精度和稳定性。综合后显著提高了系统的精度和稳定性。
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发明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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (1)

1.一种机器人单关节位置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，建立机器人单关节动力学系统；其中，所述机器人单关节动力学系统模型如下：
Figure 556284DEST_PATH_IMAGE002
Figure 356749DEST_PATH_IMAGE004
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
：连杆端角度；
Figure 532516DEST_PATH_IMAGE006
：电机端角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
: 连杆端惯量；
Figure 254484DEST_PATH_IMAGE008
：连杆端科氏力项；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
：连杆刚度；
Figure 164995DEST_PATH_IMAGE010
：电机端惯量；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
：电机端阻尼；
Figure 23230DEST_PATH_IMAGE012
：电机端出力；
步骤S2，根据单关节运动建模定义x的函数、目标电机端位置
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的函数；在所述步骤S2中，所述根据单关节运动建模定义
Figure 369897DEST_PATH_IMAGE014
的函数，及目标电机端位置
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的函数，包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
Figure DEST_PATH_IMAGE019
x：笛卡尔实际位置；
f : 笛卡尔空间速度的运动学模型，通过单关节的位置时间和结构特性建立的函数；
g : 目标位置的运动学模型，通过单关节的位置时间和结构特性建立的函数；
t : 时间变量；
步骤S3，定义一个李雅普诺夫函数
Figure 438217DEST_PATH_IMAGE020
，其中，
Figure 794111DEST_PATH_IMAGE022
Figure 506853DEST_PATH_IMAGE024
Figure 962105DEST_PATH_IMAGE026
Figure 393086DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE029
：为负定义的函数；
Figure 821181DEST_PATH_IMAGE030
：非负常数，用来表示系统的不确定性；Xd :笛卡尔空间位置指令；qd : 连杆端目标位置；ex : 笛卡尔空间位置误差；e1 : 连杆端位置误差；e2 : 连杆端速度误差；
步骤S4，定义目标电机速度的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；
所述定义目标电机速度的函数
Figure 919587DEST_PATH_IMAGE031
，包括：
Figure 608057DEST_PATH_IMAGE032
；
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 791914DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
：可调参数，调整电机位置收敛速度的正数；
步骤S5，根据上述参数计算得到最终控制电机加速度的控制量
Figure 20770DEST_PATH_IMAGE036
；
所述计算得到最终控制电机加速度的控制量
Figure 442524DEST_PATH_IMAGE036
，包括：
Figure 505158DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
：可调参数，调整电机速度收敛速度的正数。
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