CN116276994A - 一种并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法，采用位置、速度双闭环反馈控制策略，施加考虑其他关节负载惯量与伺服比例增益的摩擦力矩补偿器，以抑制因摩擦力矩扰动引起的误差。摩擦力矩补偿算法被存储在一个独立的运算寄存器中，其运算周期与伺服更新周期同步。该方法将摩擦力矩补偿器独立于双闭环控制结构之外，易于在现有机器人控制系统上进行改造并实现，可实时补偿因关节间的耦合作用与伺服特性互不匹配引起的摩擦扰动变化，进而改善各关节电机起步与换向时的跟随精度，进一步提高机器人末端的控制精度。

Description

一种并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法

技术领域

本发明涉及摩擦力矩耦合补偿方法，尤其涉及并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法。

背景技术

工业机器人各关节控制系统普遍采用位置、速度双闭环反馈控制结构，其结构简单、鲁棒性强、可靠性高，在工业控制过程中占有主导地位。然而，机器人各驱动关节伺服系统所受的摩擦扰动成为了提高系统性能的障碍，例如低速时的爬行现象、速度换向时的跟踪误差突变现象等，影响系统的动静态性能并降低控制精度。此外，并联机器人属于一类非线性强耦合多输入多输出系统，各驱动关节间耦合作用惯量的变化以及伺服增益特性的不匹配，将加剧摩擦扰动对系统跟随精度的影响作用。因此，亟需一种适用于并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法，将关节间耦合作用与伺服增益匹配特性加入到摩擦力矩补偿算法中，以提高并联机器人的运动控制精度。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点,提供一种可以提高机器人末端的控制精度的并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法。

本发明的一种并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、计算等效负载惯量，过程如下：

第一步，并联机器人的期望轨迹通过插补模块进行插补，插补后的代码执行并联机器人的位置逆解，求得各关节期望转角θ_di并作为并联机器人的各个关节的位置、速度双闭环控制算法的输入；

第二步，采集当前时刻各驱动关节电机的期望转角θ_di，利用并联机器人的刚体动力学模型计算得到并联机器人的关节j作用于并联机器人的关节i的等效负载惯量m_ij，i,j＝1,2,…,n；n代表关节总数，并储存在系统数据寄存器中以备调用；

步骤二、采集并联机器人各驱动关节电机期望角速度与角加速度，过程如下：

将采集到的当前时刻各驱动关节电机的期望转角θ_di作一阶、二阶微分，得到各驱动关节的期望角速度

与角加速度/>

然后将驱动关节的期望角速度/>

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储存在系统数据寄存器中以备调用；

步骤三、计算伺服增益特性匹配系数，过程为：

采集当前时刻各驱动关节位置、速度双闭环控制系统中的位置控制器比例增益K_pj，与速度控制器比例增益K_vj，j＝1,2,…,n；利用下式计算伺服增益特性匹配系数aij并储存在系统数据寄存器中以备调用：

步骤四、利用上述当前时刻系统数据寄存器中的数据，采用如下摩擦力矩补偿算法计算并联机器人各关节的摩擦力矩补偿值F_fi，用于补偿至速度控制器的输出端：

其中，μ_c＝0.0014，表示电机轴运动时的库伦摩擦系数、μ_v＝0.01，表示电机轴运动时的粘滞摩擦系数；m_ij为并联机器人的关节j作用于并联机器人的关节i的等效负载惯量m_ij，i,j＝1,2,…,n；

表示并联机器人关节j的期望角加速度j＝1,2,…,n。

本发明与已有技术相比的技术效果是:

本发明方法可以抑制因摩擦力矩扰动引起的误差。摩擦力矩补偿器独立于双闭环控制结构之外，易于在现有机器人控制系统上进行改造并实现，可实时补偿因关节间的耦合作用与伺服特性互不匹配引起的摩擦扰动变化，进而改善各关节电机起步与换向时的跟随精度，进一步提高机器人末端的控制精度。

附图说明

图1为本发明的一种并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法控制框图；

图2为本发明方法采用的摩擦补偿执行流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

本发明的核心在于提出一种“补偿算法”，通过对驱动关节电机期望速度、加速度、等效负载惯量、控制器比例增益进行采集与运算，实现补偿速度控制器的输出值。

如图1所示，本发明的一种并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、计算并联机器人的关节j作用于并联机器人的关节i的等效负载惯量，过程如下：

第一步，对并联机器人各关节的期望轨迹通过插补模块进行插补，插补后的代码执行并联机器人各关节的位置逆解，求得各驱动关节电机的期望转角θ_di并作为并联机器人的各个关节的位置、速度双闭环控制算法(该双闭环控制算法为现有的并联机器人自带的控制系统)的输入；

第二步，采集当前时刻各驱动关节电机的期望转角θ_di，利用并联机器人的刚体动力学模型(各个并联机器人的刚体动力学模型可以参见《并联机器人》机械工业出版社，许兆棠，刘远伟2021年出版。108页)计算得到并联机器人的关节j作用于并联机器人的关节i的等效负载惯量m_ij，(i,j＝1,2,…,n)，n代表关节总数，并储存在系统数据寄存器中以备调用；

步骤二、计算并存储并联机器人各驱动关节电机期望角速度与角加速度，过程如下：

将采集到的当前时刻各驱动关节电机的期望转角θ_di作一阶、二阶微分，得到各驱动关节电机的期望角速度

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然后将驱动关节电机的期望角速度/>

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储存在系统数据寄存器中以备调用；

步骤三、计算伺服增益特性匹配系数，过程为：

采集当前时刻各驱动关节位置、速度双闭环控制系统中的位置控制器比例增益K_pj(j＝1,2,…,n)与速度控制器比例增益K_vj(j＝1,2,…,n)，利用下式(即伺服增益匹配算法)计算并联机器人的关节j作用于并联机器人的关节i的伺服增益特性匹配系数α_ij并储存在系统数据寄存器中以备调用：

步骤四、利用上述当前时刻系统数据寄存器中的数据，采用如下摩擦力矩补偿算法计算并联机器人各关节的摩擦力矩补偿值F_fi，用于补偿至速度控制器的输出端：

其中，μ_c＝0.0014，表示电机轴运动时的库伦摩擦系数、μ_v＝0.01，表示电机轴运动时的粘滞摩擦系数；m_ij为并联机器人的关节j作用于并联机器人的关节i的等效负载惯量m_ij，(i,j＝1,2,…,n)；

表示并联机器人关节j的期望角加速度(j＝1,2,…,n)。

图2示出了并联机器人摩擦力矩耦合补偿方法的执行流程：并联机器人的期望轨迹通过插补模块进行插补，插补后的代码执行并联机器人的位置逆解，求得各关节电机期望转角并作为位置、速度双闭环控制算法的输入；与此同一时刻采集关节电机期望转角、角速度、角加速度、位置与速度控制器的比例增益并存入数据寄存器中，利用刚体动力学模型计算等效负载惯量并存入数据寄存器中，利用伺服增益匹配算法计算伺服增益特性匹配系数并存入数据寄存器中，进而利用步骤四的摩擦力矩补偿算法计算补偿值，最终补偿到双闭环伺服控制算法中。

值得注意的是，尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了详细描述，但本发明并不仅仅局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的相关技术人员受本发明的启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求保护范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种并联机器人的摩擦力矩耦合补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、计算等效负载惯量，过程如下：

第一步，并联机器人的期望轨迹通过插补模块进行插补，插补后的代码执行并联机器人的位置逆解，求得各关节期望转角θ_di并作为并联机器人的各个关节的位置、速度双闭环控制算法的输入；

第二步，采集当前时刻各驱动关节电机的期望转角θ_di，利用并联机器人的刚体动力学模型计算得到并联机器人的关节j作用于并联机器人的关节i的等效负载惯量m_ij，

i,j＝1,2,…,n；n代表关节总数，并储存在系统数据寄存器中以备调用；

步骤二、采集并联机器人各驱动关节电机期望角速度与角加速度，过程如下：

将采集到的当前时刻各驱动关节电机的期望转角θ_di作一阶、二阶微分，得到各驱动关节的期望角速度

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然后将驱动关节的期望角速度/>

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储存在系统数据寄存器中以备调用；

步骤三、计算伺服增益特性匹配系数，过程为：

采集当前时刻各驱动关节位置、速度双闭环控制系统中的位置控制器比例增益K_pj，与速度控制器比例增益K_vj，j＝1,2,…,n；利用下式计算伺服增益特性匹配系数aij并储存在系统数据寄存器中以备调用：

步骤四、利用上述当前时刻系统数据寄存器中的数据，采用如下摩擦力矩补偿算法计算并联机器人各关节的摩擦力矩补偿值F_fi，用于补偿至速度控制器的输出端：

其中，μ_c＝0.0014，表示电机轴运动时的库伦摩擦系数、μ_v＝0.01，表示电机轴运动时的粘滞摩擦系数；m_ij为并联机器人的关节j作用于并联机器人的关节i的等效负载惯量m_ij，i,j＝1,2,…,n；

表示并联机器人关节j的期望角加速度j＝1,2,…,n。

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