CN115556104B - 一种机器人单个关节位置的控制方法和系统及相关设备 - Google Patents

一种机器人单个关节位置的控制方法和系统及相关设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人单个关节位置的控制方法和系统及相关设备，所述关节由超声电机、电机驱动器和编码器构成，该控制方法包括以下步骤：将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为超声电机关节位置控制器的输入数据；所述超声电机关节位置控制器根据所述输入数据及预设控制方式，进行分析计算；根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，反馈给电机驱动器，实现关节位置的控制。该控制方法用于在超声电机向目标移动的同时，监控编码器的反馈，使超声电机到达预期的目标位置时降低速度，从而减少机器人单个关键位置的定位误差。

Description

一种机器人单个关节位置的控制方法和系统及相关设备
技术领域
本发明涉及手术机器人软件系统的技术领域，特别涉及一种机器人单个关节位置的控制方法和系统及相关设备。
背景技术
有些类型的超声电机驱动器使用顺时针/逆时针(CW/CCW)使能信号和速度模拟信号作为输入。然而，常规控制器例如比例积分微分(PID)控制器，不能直接用于控制这种类型的超声电机。
另外，在超声电机达到目标后，运动使能信号(CW/CCW)被禁用，但超声电机需要几秒钟才能完全停止运动。而位置误差与速度强相关，较低的电机速度，误差为1-2个计数；而更高的电机速度，误差可能大于3-4个计数。
因此，如何针对超声电机在高速运动时减少定位误差，成为同行从业人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种机器人单个关节位置的控制方法和系统及相关设备，可解决超声电机在高速运动时定位误差较大、无法精准控制机器人关节运动的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种机器人单个关节位置的控制方法，所述关节由超声电机、电机驱动器和编码器构成，该控制方法包括以下步骤：
将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为超声电机关节位置控制器的输入数据；
所述超声电机关节位置控制器根据所述输入数据及预设控制方式，进行分析计算；
根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，反馈给电机驱动器，实现关节位置的控制。
进一步地，所述预设控制方式，包括：
设置目标位置阈值；
当所述超声电机的实际位置参数超过所述目标位置阈值时，将所述超声电机的速度设置为最小值；
当所述超声电机到达预期的目标位置时，运动使能信号被禁用。
进一步地，设置目标位置阈值，包括：
基于预定义的超声电机的速度变化率计算目标位置阈值，公式如下：
P＝(Vs-Vl)/φ (1)
式中，P表示超声电机的目标位置阈值；Vs表示超声电机的实时运动速度；Vl表示超声电机的最小速度；φ表示超声电机的速度变化率。
进一步地，根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，包括：
当所述超声电机从目标位置阈值到预期的目标位置运动时，根据如下公式(2)设置运动速度，生成对应的控制信号；
Vset＝(TP-CP)×φ+Vl (2)
式中，Vset表示超声电机的设置运动速度；TP表示超声电机预期的目标位置；CP表示超声电机的当前位置；Vl表示超声电机的最小速度；φ表示超声电机的速度变化率。
第二方面，本发明实施例还提供一种机器人单个关节位置的控制系统，所述关节由超声电机、电机驱动器和编码器构成，该控制系统包括：
输入模块，用于将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为超声电机关节位置控制器的输入数据；
分析计算模块，用于所述超声电机关节位置控制器根据所述输入数据及预设控制方式，进行分析计算；
控制模块，用于根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，反馈给电机驱动器，实现关节位置的控制。
进一步地，所述分析计算模块中的预设控制方式，包括：
设置目标位置阈值；
当所述超声电机的实际位置参数超过所述目标位置阈值时，将所述超声电机的速度设置为最小值；
当所述超声电机到达预期的目标位置时，运动使能信号被禁用。
进一步地，设置目标位置阈值，包括：
基于预定义的超声电机的速度变化率计算目标位置阈值，公式如下：
P＝(Vs-Vl)/φ (1)
式中，P表示超声电机的目标位置阈值；Vs表示超声电机的实时运动速度；Vl表示超声电机的最小速度；φ表示超声电机的速度变化率。
进一步地，所述控制模块具体用于：
当所述超声电机从目标位置阈值到预期的目标位置运动时，根据如下公式(2)设置运动速度，生成对应的控制信号；
Vset＝(TP-CP)×φ+Vl (2)
式中，Vset表示超声电机的设置运动速度；TP表示超声电机预期的目标位置；CP表示超声电机的当前位置；Vl表示超声电机的最小速度；φ表示超声电机的速度变化率。
第三方面，本发明实施例还提供一种控制设备，包括：存储器、处理器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如前述的一种机器人单个关节位置的控制方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如前述的一种机器人单个关节位置的控制方法。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明实施例提供的一种机器人单个关节位置的控制方法，所述关节由超声电机、电机驱动器和编码器构成，该控制方法包括以下步骤：将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为超声电机关节位置控制器的输入数据；所述超声电机关节位置控制器根据所述输入数据及预设控制方式，进行分析计算；根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，反馈给电机驱动器，实现关节位置的控制。该控制方法用于在超声电机向目标移动的同时，监控编码器的反馈，使超声电机到达预期的目标位置时降低速度，从而减少机器人单个关键位置的定位误差。
附图说明
图1为本发明实施例提供的机器人单个关节位置的控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的机器人单个关节位置的控制方法的原理图；
图3为在具体实施时的控制流程图；
图4为本发明实施例提供的机器人单个关节位置的控制系统的框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本发明提供的一种机器人单个关节位置的控制方法，其中，该关节由超声电机、电机驱动器和编码器构成，参照图1所示，该控制方法包括以下步骤：
S1、将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为超声电机关节位置控制器的输入数据；
S2、所述超声电机关节位置控制器根据所述输入数据及预设控制方式，进行分析计算；
S3、根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，反馈给电机驱动器，实现关节位置的控制。
该方法在实施时，工作原理如图2所示，涉及机器人控制系统的超声电机关节位置控制器：其中，超声电机关节位置控制器将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为输入。控制器完成控制算法的计算后，将控制信号反馈给电机驱动器，实现关节位置控制。该控制方法用于在超声电机向目标移动的同时，监控编码器的反馈，使超声电机到达预期的目标位置时降低速度，从而减少机器人单个关键位置的定位误差。
上述步骤S2中的预设控制方式包括：
1)设置目标位置阈值；
2)当超声电机的实际位置参数超过所述目标位置阈值时，将超声电机的速度设置为最小值；
3)当超声电机到达预期的目标位置时，运动使能信号被禁用。
即：当超声电机超过目标位置阈值时，电机速度设置为最小值。当超声电机到达目标位置时，运动使能信号(CW/CCW)被禁用。
其中，上述1)中，设置目标位置阈值包括：基于预定义的超声电机的速度变化率计算目标位置阈值，公式如下：
P＝(Vs-Vl)/φ (1)
式中，P表示超声电机的目标位置阈值；Vs表示超声电机的实时运动速度；Vl表示超声电机的最小速度；φ表示超声电机的速度变化率。
从而当超声电机达到目标位置阈值时，超声电机速度会根据电机位置以预定速率逐渐降低。当超声电机到达预期的目标位置时，运动使能信号(CW/CCW)被禁用，电机速度接近最低速度；实现定位误差应在1-2个计数以内。
上述步骤S3中，根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，包括：
当超声电机从目标位置阈值到预期的目标位置运动时，根据如下公式(2)设置运动速度，生成对应的控制信号；
Vset＝(TP-CP)×φ+Vl (2)
式中，Vset表示超声电机的设置运动速度；TP表示超声电机预期的目标位置；CP表示超声电机的当前位置；Vl表示超声电机的最小速度；φ表示超声电机的速度变化率。
即：速度变化率是位置距离的参考，当超声电机从目标位置阈值到预期的目标位置运动时，应上述公式(2)在每个采样时间设置运动速度。
本发明实施例提供的机器人单个关节位置的控制方法，在具体实施时，比如参照图3所示，包括如下步骤：
1.通过AD端口设置速度信号；
2.设置运动方向信号开始运动；
3.读取编码器位置反馈；
4.判断当前位置是否位于目标位置的一定距离，是，则执行步骤5；否，则执行步骤6；该步骤可根据上述公式(1)计算获得目标位置阈值；
5.逐渐降低速度至最低，然后执行步骤3；
6.判断当前位置是否刚刚到达目标位置，是，则执行步骤7；否，则执行步骤3；该步骤可根据公式(2)设置运动速度；
7.禁用运动方向信号CW/CCW，停止运动。
该方法可用于在超声电机向预期的目标位置移动的同时，监控编码器的反馈，使电机到达预期的目标位置降低速度，从而减少机器人定位误差。
实施例2：
如图4所示，本发明实施例还提供一种机器人单个关节位置的控制系统，关节由超声电机、电机驱动器和编码器构成，该控制系统包括：
输入模块，用于将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为超声电机关节位置控制器的输入数据；
分析计算模块，用于所述超声电机关节位置控制器根据所述输入数据及预设控制方式，进行分析计算；
控制模块，用于根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，反馈给电机驱动器，实现关节位置的控制。
进一步地，分析计算模块中的预设控制方式，包括：
设置目标位置阈值；
当所述超声电机的实际位置参数超过所述目标位置阈值时，将所述超声电机的速度设置为最小值；
当所述超声电机到达预期的目标位置时，运动使能信号被禁用。
进一步地，设置目标位置阈值，包括：
基于预定义的超声电机的速度变化率计算目标位置阈值，公式如下：
P＝(Vs-Vl)/φ (1)
式中，P表示超声电机的目标位置阈值；Vs表示超声电机的实时运动速度；Vl表示超声电机的最小速度；φ表示超声电机的速度变化率。
进一步地，所述控制模块具体用于：
当所述超声电机从目标位置阈值到预期的目标位置运动时，根据如下公式(2)设置运动速度，生成对应的控制信号；
Vset＝(TP-CP)×φ+Vl (2)
式中，Vset表示超声电机的设置运动速度；TP表示超声电机预期的目标位置；CP表示超声电机的当前位置；Vl表示超声电机的最小速度；φ表示超声电机的速度变化率。
该控制系统用于在超声电机向目标移动的同时，监控编码器的反馈，使超声电机到达预期的目标位置时降低速度，从而减少机器人单个关键位置的定位误差。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种控制设备、计算机存储介质，由于这些设备和存储介质所解决问题的原理与前述机器人单个关节位置的控制方法相似，因此该设备和存储介质的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。
本发明实施例提供的控制设备，包括：存储器、处理器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述的一种机器人单个关节位置的控制方法。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令被处理器执行时实现如上述的一种机器人单个关节位置的控制方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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)

1.一种机器人单个关节位置的控制方法，其特征在于，所述关节由超声电机、电机驱动器和编码器构成，该控制方法包括以下步骤：
将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为超声电机关节位置控制器的输入数据；
所述超声电机关节位置控制器根据所述输入数据及预设控制方式，进行分析计算；
根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，反馈给电机驱动器，实现关节位置的控制。
其中，所述预设控制方式，包括：
设置目标位置阈值；
当所述超声电机的实际位置参数超过所述目标位置阈值时，将所述超声电机的速度设置为最小值；
当所述超声电机到达预期的目标位置时，运动使能信号被禁用；
所述设置目标位置阈值，包括：
基于预定义的超声电机的速度变化率计算目标位置阈值，公式如下：
Figure FDA0004123303100000011
式中，P表示超声电机的目标位置阈值；Vs表示超声电机的实时运动速度；Vl表示超声电机的最小速度；
Figure FDA0004123303100000012
表示超声电机的速度变化率。
2.根据权利要求1所述的一种机器人单个关节位置的控制方法，其特征在于，根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，包括：
当所述超声电机从目标位置阈值到预期的目标位置运动时，根据如下公式(2)设置运动速度，生成对应的控制信号；
Figure FDA0004123303100000021
式中，Vset表示超声电机的设置运动速度；TP表示超声电机预期的目标位置；CP表示超声电机的当前位置；Vl表示超声电机的最小速度；
Figure FDA0004123303100000022
表示超声电机的速度变化率。
3.一种机器人单个关节位置的控制系统，其特征在于，所述关节由超声电机、电机驱动器和编码器构成，该控制系统包括：
输入模块，用于将超声电机预期的目标位置、超声电机的实时速度和编码器反馈作为超声电机关节位置控制器的输入数据；
分析计算模块，用于所述超声电机关节位置控制器根据所述输入数据及预设控制方式，进行分析计算；
控制模块，用于根据分析计算的结果，所述超声电机关节位置控制器生成相应的控制信号，反馈给电机驱动器，实现关节位置的控制；
所述分析计算模块中的预设控制方式，包括：
设置目标位置阈值；
当所述超声电机的实际位置参数超过所述目标位置阈值时，将所述超声电机的速度设置为最小值；
当所述超声电机到达预期的目标位置时，运动使能信号被禁用；
其中，所述设置目标位置阈值，包括：
基于预定义的超声电机的速度变化率计算目标位置阈值，公式如下：
Figure FDA0004123303100000031
式中，P表示超声电机的目标位置阈值；Vs表示超声电机的实时运动速度；Vl表示超声电机的最小速度；
Figure FDA0004123303100000032
表示超声电机的速度变化率。
4.一种控制设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-2所述的一种机器人单个关节位置的控制方法。
5.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1-2所述的一种机器人单个关节位置的控制方法。
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