CN117681252A - 一种柔顺末端力控执行器振动抑制方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于振动抑制技术领域，公开了一种柔顺末端力控执行器振动抑制方法、系统及设备，包括：获取系统等效自然频率和阻尼比；获取系统速度‑力变化关系；选择基础输入整形器，构建混合优化输入整形器；使用优化算法对混合优化输入整形器进行寻优；筛选合适性能的混合优化输入整形器；对输入混合优化输入整形器的指令进行指令重构；选择粘滞摩擦模型，使用优化算法进行摩擦辨识；根据得到的重构混合输入整形器，并融合摩擦模型构建前馈控制方法；基于模型的级联PID反馈控制设计。本发明在重构混合优化整形器进行抑制的基础上，使用摩擦模型进行前馈补偿，有效抑制由于柔顺执行器低速摩擦带来的振动。
Description
技术领域
本发明属于振动抑制技术领域，尤其涉及一种柔顺末端力控执行器振动抑制方法、系统及设备。
背景技术
对于末端柔顺执行器或者机器人末端振动抑制，工业界广泛应用的振动抑制的控制方法主要可分为反馈控制和开环前馈控制两大类。相比反馈控制，输入整形方法作为前馈控制的一种极大的减小了对计算、编程以及硬件的要求，缩短了设计的周期和成本。输入整形只需要估计系统的模型参数，不需要任何在线参数估计、传感器及任何反馈、前馈信号，而且输入整形本身不会造成系统的不稳定，同时其对参数不确定因素有较好的鲁棒性。
现有广泛使用的ZV，ZVD等输入整形器其性能与实际系统绑定，一旦选定整形器设计方法，其性能便固定。但是实际工业生产中往往需要的是多种性能之间的均衡。比如某些场所对振动抑制的性能要求不高，但是对响应速度要求更高。这种与性能冗余与不足的矛盾，导致现有整形器的性能不能满足要求。需要一种能够性能可变、可筛选的输入整形器。
整形器本身信号脉冲分裂的方式导致其存在响应延迟，这会造成严重的力轨迹跟踪误差，现有的整形器往往很难从自身角度解决这一问题。单一的整形器方法面对外界干扰也难以保证其振动抑制效果。
摩擦与振动具有相关性，在大部分场景下，摩擦力有利于振动的减小和消除。但是在低速阶段，由于摩擦的滞回和stribeck效应，会造成粘滞摩擦振动。在机器人末端力控中，力控制变化往往较为缓慢，柔顺执行器处于低速状态。许多柔顺末端执行器存在较大的摩擦力。摩擦力引起的粘滞摩擦振动不可忽略，极大的影响到系统力控跟踪精度，可以通过摩擦前馈补偿进行振动抑制的前馈控制。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有广泛使用的ZV，ZVD等输入整形器其性能与实际系统绑定，一旦选定整形器设计方法，其性能便固定。但是实际工业生产中往往需要的是多种性能之间的均衡。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种柔顺末端力控执行器振动抑制方法、系统及设备，以便于在工程实践中提供一种性能可筛选、力轨迹波动误差小、可进行粘滞摩擦振动的、前馈和反馈结合的振动抑制方法。
本发明是这样实现的，一种柔顺末端力控执行器振动抑制方法，包括：
S1，获取系统等效自然频率和阻尼比；
S2，获取系统速度-力变化关系；
S3，选择基础输入整形器，构建混合优化输入整形器；
S4，使用优化算法对混合优化输入整形器进行寻优；
S5，筛选合适性能的混合优化输入整形器；
S6，对输入混合优化输入整形器的指令进行指令重构；
S7，选择粘滞摩擦模型，使用优化算法进行摩擦辨识；
S8，根据得到的重构混合输入整形器，并融合摩擦模型构建前馈控制方法；
S9，基于模型的级联PID反馈控制设计。
进一步，对于进行使用位移X作为系统输入，接触力F作为力输出，通过快速傅里变化得到系统传递函数和等效自然频率和阻尼比；对于系统速度-力变化使用方波速度V作为系统输入，接触力F作为系统输出；
混合优化输入整形器由基础输入整形器按比例线性组合构成；其中比例系数和为1；基础输入整形器包括使用ZV整形器、ZVD整形器、ZVDD整形器、ZVDDD整形器、UMZV整形器、MIS整形器、SNA整形器、EI整形器；
优化方法包括使用多目标遗传算法、多目标粒子群算法；优化目标函数包括响应速度、ITAE、残余振动百分比，失配比在0.6～1.4范围内的平均响应速度、ITAE、残余振动百分比。
进一步，混合优化输入整形器需要进行优化，混合优化输入整形器优化流程为：
S40，根据等效自然频率和阻尼比构建等效二阶传递函数
S402，使用优化算法生成混合优化输入整形器
S403，使用阶跃响应作为输入，信号输入混合优化输入整形器后，使用等效二阶传递函数进仿真，得到系统仿真输出并计算优化目标函数
S404，使用优化算法进行判断并排序
S405，重复S402和S404直至完成优化迭代，得到混合优化整形器的帕累托解集
进一步，需要对混合优化输入整形器进行指令重构，得到重构混合输入整形器；该方法为离线指令重构方法；其重构流程为：
S601，使用优化算法傅里叶-多项式系数，生成重构指令；
S602，将重构指令输入混合优化整形器和等效二阶系统，得到系统的仿真响应；
S603，将仿真响应与期望响应进行最小二乘计算，得到力轨迹误差；
S604，使用优化算法进行排序和筛选；
S605，重复S601和S604步骤直至完成优化迭代，得到重构指令。
进一步，使用S2得到速度-力变化，得到速度突变标志点位，使用优化算法对标志点位数据进行拟合得到粘滞摩擦模型辨识；
使用重构输入整形器进行直接力前馈控制器，使用粘滞摩擦模型作为前馈力补偿前馈控制器；
通过真实系统反馈的接触力F，速度V，位移X，设计级联PID反馈控制器，进行力位速闭环控制。
进一步，期望信号通过指令重构和混合优化整形器之后作为直接前馈直接输入实际系统；混合优化整形器的输出作为系统模型输入，系统模型得到力F、位置X、速度V；实际系统反馈力作为负反馈与系统模型力结合作为一级PID控制器输入；实际系统反馈速度作为负反馈结合一级PID控制器的输出和系统模型速度作为二级PID控制器输入；实际系统反馈位置作为负反馈与结合系统模型位置和二级PID控制器输出作为三级PID控制器输入；期望输入输入摩擦模型后作为直接前馈进行摩擦补偿；三级PID输出、混合优化整形器输出、摩擦模型输出结合作为实际系统的输入。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述柔顺末端力控执行器振动抑制方法的柔顺末端力控执行器振动抑制系统，包括：
阻尼比获取模块，用于获取系统等效自然频率和阻尼比；
变化关系获取模块，用于获取系统速度-力变化关系；
整形器构建模块，用于选择基础输入整形器，构建混合优化输入整形器；
寻优模块，用于使用优化算法对混合优化输入整形器进行寻优；
整形器筛选模块，用于筛选合适性能的混合优化输入整形器；
指令重构模块，用于对输入混合优化输入整形器的指令进行指令重构；
摩擦辨识模块，用于选择粘滞摩擦模型，使用优化算法进行摩擦辨识；
控制方法构建模块，用于根据得到的重构混合输入整形器，并融合摩擦模型构建前馈控制方法；
反馈控制设计模块，用于基于模型的级联PID反馈控制设计。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的柔顺末端力控执行器振动抑制系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明通过对现有整形器进行线性优化组合得到混合优化整形器，其性能具有可筛选的特性，能够一定程度上解决某些性能冗余而某些性能不足的情况，更有利于将整形器振动抑制进行实际应用。
本发明使用傅里叶-多项式构建曲线进行指令优化重构，在降低振动抑制的同时可以有效降低力轨迹误差。
本发明在重构混合优化整形器进行抑制的基础上，使用摩擦模型进行前馈补偿，有效抑制由于柔顺执行器低速摩擦带来的振动。
本发明使用基于模型的力位速三级级联PID闭环控制，有效抑制整个系统由于不确定性质带来的振动和力跟踪误差。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明所提供的振动抑制方法具有可筛选的特性，这意味着用户可以根据具体需求选择不同的性能配置，从而提高整形器的灵活性和适用性，扩大了现有整形器的适用场景。
本发明所提供的振动抑制方法改善了现有整形器导致的跟踪误差问题；这有助于提高整形器在振动抑制应用中的性能，使其更加稳定和可靠。
本发明所提供的振动抑制方法有效地抑制了由于柔顺执行器低速摩擦引起的振动，提高了整形器在低速运动时的精确性和稳定性。并通过力位速三级级联PID闭环控制，这有助于提高整形器在实际操作中的性能，确保其在不同工作条件下都能够准确响应和执行任务。
本发明所提供的振动抑制方法实现了控制模块的优化整合，有效提高系统的一体化程度，降低了使用和维护的难度。
第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：
通过振动抑制和力控制的优化，本发明在机械加工中有望显著提高加工精度和表面质量。这对于需要高精度制造的行业，如航空航天、汽车制造等，将是一项关键的技术进步。
本发明可以提高加工的稳定性和精度，降低了废品率和重工率。这将有助于降低生产成本，提高生产效率，从而使制造商更具竞争力。
本发明的可筛选性能特性使其更适用于不同领域和应用需求。制造商可以根据具体要求选择不同的性能配置，使本发明在多个领域中都能够找到广泛的应用，从而拓展市场。
本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
本发明通过对现有整形器进行线性优化组合，本发明实现了整形器性能的混合优化。实现了整形器性能可筛选的特性，允许用户根据特定需求选择不同的性能配置。这种综合性的技术方案在国内外机械加工和磨抛振动领域是未出现的，填补了在整形器领域中对于不同应用需求的灵活性和可适应性的技术空白。
本发明通过傅里叶-多项式构建曲线指令优化的手段引入整形器前馈，填补整形器低误差控制方面的技术缺口。通过整形器前馈的同时，引入摩擦模型进行前馈补偿，特别是针对柔顺执行器低速摩擦引起的振动，这种联合前馈方式为机械系统提供更精密的控制手段。
本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
由于弹性元件带来的残余振动和力跟踪误差问题一直是末端柔顺执行器系统面临的难题，本发明的技术方案采取了一系列先进的技术手段降低了系统固有振动和低速摩擦带来的振动。通过可筛选的性能特性，解决了整形器用于不同场景的可定制性和适应性挑战。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的柔顺末端力控执行器振动抑制方法流程图；
图2是本发明实施例提供的柔顺末端执行器的理论模型图；
图3是本发明实施例提供的混合优化输入整形器的构成示意图；
图4是本发明实施例提供的混合优化输入整形器的优化设计流程图；
图5是本发明实施例提供的混合优化输入整形器的优化帕累托解集三维展示图：(a)三维坐标为平均ITAE-PRV-平均PRV的性能分布，(b)Ts-ITAE-平均Ts的性能分布，(c)Ts-PRV-ITAE的性能分布，(d)平均Ts-平均PRV-平均ITAE的性能分布；
图6是本发明实施例提供的整形器指令优化重构流程图；
图7是本发明实施例提供的粘滞摩擦模型辨识结果图；
图8是本发明实施例提供的振动抑制控制示意图；
图9是本发明实施例提供的柔顺末端力控执行器振动抑制系统结构图；
图10是本发明实施例提供的一种机器人末端柔顺执行器力跟踪的实验振动抑制效果图；
图11是本发明实施例提供的一种机器人末端柔顺执行器力响应的实验振动抑制效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种柔顺末端力控执行器振动抑制方法、系统及设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明主要针对以下现有技术的问题和缺陷进行改进，实现显著的技术进步：
振动问题：传统的执行器在高速或精确控制下往往会产生振动，这影响了执行器的精确性和可靠性。
控制算法的不足：现有技术中的控制算法可能无法有效地抑制由于系统固有特性(如自然频率和阻尼比)引起的振动。
力控制的不精确：在力控制应用中，执行器在处理复杂动态环境下的精确力控制方面存在不足。
响应时间和效率问题：传统控制方法可能导致执行器响应时间长，效率低下。
针对现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案为：
系统特性的精确获取：通过获取系统等效自然频率和阻尼比，本发明能更准确地理解和预测执行器的动态行为，为控制策略的设计提供基础。
高级输入整形器的应用：通过使用混合优化输入整形器，本发明能有效减少系统的振动，提高执行器的稳定性和精确性。
优化算法的应用：使用多目标遗传算法和粒子群算法优化输入整形器，能实现更优的控制效果，减少振动，同时提高响应速度和效率。
指令重构和摩擦模型的融合：通过指令重构和精确的摩擦模型辨识，本发明在复杂动态环境下提供了更加精准的力控制。
本发明解决现有技术问题所带来的技术效果和显著技术进步：
振动显著减少：通过优化的输入整形器和控制策略，执行器的振动得到了显著抑制，增强了操作的平稳性。
提高控制精度和效率：本发明提供了更精确的力控制和更高效的响应，特别是在需要高精度和高速度的应用场景中。
适应性强：由于考虑了系统的固有特性和外部动态环境，本发明的控制方法在不同的工作条件下都能保持高效和精准。
技术通用性：这种方法不仅适用于特定类型的执行器，而且其原理和技术可以扩展到其他类型的力控制系统。
本发明实施例的两个具体应用实施例为：
实施例1：工业机器人的精密组装操作
在工业生产线上，特别是在汽车制造或电子产品组装中，机器人需要执行高精度的组装任务。这些任务要求执行器不仅要准确地定位组件，而且需要控制施加在组件上的力量，以避免损坏。
系统特性获取：首先通过传感器和分析软件获取机器人执行器的自然频率和阻尼比，以及在不同速度下的力-速度关系。
输入整形器的应用：根据获取的数据，选择合适的混合优化输入整形器，如ZV、ZVD等，用于调整指令信号以减少振动。
优化算法运用：利用多目标遗传算法或粒子群算法优化输入整形器的参数，以实现最佳的振动控制和快速响应。
前馈控制与反馈控制的结合：结合重构的混合输入整形器和粘滞摩擦模型，构建前馈控制方法，并与基于模型的级联PID反馈控制相结合，实现精准的力和位置控制。
在组装操作中，机器人能够精确控制力量和位置，有效减少组装过程中的振动和误差，提高组装质量和效率。
实施例2：精密医疗手术辅助机器人
在精密医疗手术中，如微创手术或机器人辅助的外科手术，需要极高的操作精度和稳定性。手术机器人的执行器必须能够精确地操控手术工具，同时确保对患者的安全。
高精度特性分析：测量手术机器人执行器的自然频率和阻尼比，以及在不同操作条件下的力-速度特性。
定制化输入整形器设计：根据手术需求，定制化设计混合优化输入整形器，确保在精细操作中最小化振动。
精准的控制算法优化：使用高级优化算法，如多目标遗传算法，对输入整形器进行精准调整，确保在各种手术条件下都能维持稳定和精确的控制。
集成反馈控制系统：将优化的输入整形器与粘滞摩擦模型整合，构建一个综合的前馈控制系统，并与级联PID反馈控制系统结合，实现对手术工具的精细控制。
手术机器人能够在保证患者安全的同时，实现极高的操作精度，减少手术过程中的不必要振动，提高手术成功率和安全性。
如图1所示，本发明实施例提供了一种柔顺末端执行器前馈振动抑制方法，该方法由输入整形器优化设计方法，整形器输入指令重构方法，基于摩擦模型的前馈补偿控制器构成。通过优化设计方法能够得到一种性能(振动抑制性能、响应速度等)可筛选的混合优化输入整形器，通过离线指令重构方法能够降低力跟踪误差，通过摩擦前馈模型抑制粘滞摩擦振动。通过重构混合优化输入整形器和摩擦前馈模型融合，形成一种性能可筛选的、低力跟踪误差的多前馈的柔顺执行器振动抑制方法。具体设计包括如下步骤：
S1，获取系统等效自然频率和阻尼比；
S2，获取系统速度-力变化关系；
S3，选择基础输入整形器，构建混合优化输入整形器；
S4，使用非支配排序的多目标优化算法对混合优化输入整形器进行寻优；
S5，筛选合适性能的混合优化输入整形器；
S6，对输入混合优化输入整形器的指令进行指令重构；
S7，选择粘滞摩擦模型，使用遗传优化算法进行摩擦辨识；
S8，根据得到的重构混合输入整形器，并融合摩擦模型构建前馈控制方法；
S9，基于模型的级联PID反馈控制设计。
如图2所示的柔性执行器模型，S1可以采用输入扫频信号，检测接触力F。通过快速傅里叶变换的得到其等效的自然频率和阻尼比。也可以使用力锤法进行激励得到SEA本体的自然频率和阻尼比。S2步骤输入方波信号，通过传感器，采集速度V和接触力F。
如图3所示，S3中混合优化输入整形器由基础输入整形器按比例线性组合构成，其中比例系数B{}和为1；基础输入整形器包括但不局限于使用ZV整形器、ZVD整形器、ZVDD整形器、ZVDDD整形器、UMZV整形器、MIS整形器、SNA整形器、EI整形器。
如图4所示，S4中混合优化输入整形器需要进行优化，混合优化输入整形器优化流程为：
S4.1，根据等效自然频率和阻尼比构建等效二阶传递函数
S4.2，使用非支配排序的多目标优化算法生成混合优化输入整形器
S4.3，使用阶跃响应作为输入，信号输入混合优化输入整形器后，使用等效二阶传递函数进仿真，得到系统仿真输出并计算优化目标函数
S4.4，使用非支配排序的多目标优化算法算法进行判断并排序
S4.5，重复S4.2和S4.4步骤直至完成优化迭代，得到混合优化整形器的帕累托解集
优化目标函数使用响应速度(Ts)、时间乘误差绝对值积分(ITAE)、残余振动百分比(PRV)，失配比(Mi)在0.6～1.4范围内的平均响应速度、ITAE、残余振动百分比；优化后得到帕累托解集如图5所示；通过筛选帕累托解集，可以得到所需要性能的整形器。优化目标函数(适应度函数)如下：
fitness6＝Ts
其中fitness1表示建模失配比Mi＝0.6～1.4时的平均残余振动；fitness2表示建模准确(Mi＝1)时的残余振动；fitness3表示建模失配比Mi＝0.6～1.4时的平均ITAE值；fitness4表示建模准确(Mi＝1)时的ITAE值；fitness5示建模失配比Mi＝0.6～1.4时的平均响应速度；fitness6表表示建模准确(Mi＝1)时的响应速度。其中Step(t)阶跃信号，Y(t)为系统对阶跃信号的响应值；式中e(t)为t时刻的误差，T为整个分析时长；式中式中ξ为阻尼比，wn为频率点，Ai为在ti时刻的响应幅值。
S6需要对混合优化输入整形器进行指令重构，得到重构混合输入整形器；该方法为离线指令重构方法；如图5所示，其重构流程为：
S6.1使用优化算法傅里叶-多项式系数，生成重构指令(指令1)
S6.2将重构指令输入混合优化整形器和等效二阶系统，得到系统的仿真响应(指令2)
S6.3将仿真响应(指令2)与期望响应(指令0)进行最小二乘计算，得到力轨迹误差
S6.4使用优化算法进行排序和筛选
S6.5重复S6.1和S6.4步骤直至完成优化迭代，得到傅里叶-多项式系数，从而得到多项式系数
S1(t)＝a0+Fourier(t)+PA(t)
PA(t)＝aN+3t+aN+4t2+···+aN+MtM
式中S1(t)表示重构后的力轨迹，Fourier(t)表示傅里叶级数逼近部分，PA(t)表示多项式逼近部分，N表示傅里叶的级数，M为多项式的次数，a{}为待优化的系数，t为时间。
使用S2得到速度-力变化，得到速度突变标志点位，使用优化算法对标志点位数据进行拟合得到粘滞摩擦模型辨识(示例采用Stribeck模型)，其结果如图7所示。
式中sgn(v)表示相对速度方向，f(v)为摩擦力，v为速度，fc为库伦摩擦力，fs为最大静摩擦力，vs为Stribrck速度，fv为粘性摩擦系数。如图所示，对SEA系统进行摩擦实验，能观察到明显的摩擦现象。以RMS值为优化目标，使用遗传优化算法对Stribeck模型进行
使用重构输入整形器进行直接力前馈控制器，使用粘滞摩擦模型作为前馈力补偿前馈控制器。通过真实系统反馈的接触力F，速度V，位移X，设计级联PID反馈控制器，进行力位速闭环控制。
整体振动抑制控制示意图如图8所示，期望信号输入后，通过指令重构和混合优化整形器之后作为直接前馈直接输入实际系统；混合优化整形器的输出作为系统模型输入，系统模型得到力F、位置X、速度V；实际系统反馈力作为负反馈与系统模型力结合作为一级PID控制器输入；实际系统反馈速度作为负反馈结合一级PID控制器的输出和系统模型速度作为二级PID控制器输入；实际系统反馈位置作为负反馈与结合系统模型位置和二级PID控制器输出作为三级PID控制器输入；期望输入输入摩擦模型后作为直接前馈进行摩擦补偿；三级PID输出、混合优化整形器输出、摩擦模型输出结合作为实际系统的输入。
如图9所示，作为优选，本发明实施例提供了一种柔顺末端力控执行器振动抑制系统，包括：
阻尼比获取模块，用于获取系统等效自然频率和阻尼比；
变化关系获取模块，用于获取系统速度-力变化关系；
整形器构建模块，用于选择基础输入整形器，构建混合优化输入整形器；
寻优模块，用于使用优化算法对混合优化输入整形器进行寻优；
整形器筛选模块，用于筛选合适性能的混合优化输入整形器；
指令重构模块，用于对输入混合优化输入整形器的指令进行指令重构；
摩擦辨识模块，用于选择粘滞摩擦模型，使用优化算法进行摩擦辨识；
控制方法构建模块，用于根据得到的重构混合输入整形器，并融合摩擦模型构建前馈控制方法；
反馈控制设计模块，用于基于模型的级联PID反馈控制设计。
本发明的应用实施例提供了一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行柔顺末端力控执行器振动抑制方法的步骤。
本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行柔顺末端力控执行器振动抑制方法的步骤。
本发明的应用实施例提供了一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现柔顺末端力控执行器振动抑制系统。
在机械柔顺加工领域，本发明的技术方案可以应用于提高末端柔顺执行器的振动抑制性能，从而提高加工质量和效率。
本发明的振动抑制系统应用于机器人磨抛加工系统中，主要集成在末端柔顺执行器的控制驱动系统中。该系统包括混合优化整形器、指令重构、摩擦模型、以及级联PID反馈控制等模块。以倍福驱控系统为例，这些模块通过simulink模块实现编译后导入倍福驱控系统实现部署，即可实现对末端执行器的振动抑制。
通过在实际试验中应用本发明的振动抑制系统，观察到在机器人磨抛加工过程中，振动幅度明显减小。相比于传统系统，新的振动抑制方案有效地提高了整个系统的稳定性。通过整形器的可筛选性能特性，实现了对振动抑制系统性能的定制，使其能够适应不同工况和加工需求，从帕累托(Pareto)解集中可以看出其性能的多样性。从表格的结果可以验证重构模块对力跟踪误差的减小效果。通过摩擦模型和整形器的集成试验(执行器本体刚度为1.5N/mm，本体阻尼为0.1N/(mm·s)，在环境刚度ke＝9.81N/mm)，验证了其在低速情况下的有效性，成功抑制了柔顺执行器的振动。结合级联PID后更可实现更多场景和更高精度的力控制。
表格为一种机器人末端柔顺执行器在应用指令重构方法前后的误差仿真结果，如图10为机器人末端柔顺执行器力跟踪的实验振动抑制效果图，如图11是机器人末端柔顺执行器力响应的实验振动抑制效果图。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔顺末端力控执行器振动抑制方法，其特征在于，包括：
S1，获取系统等效自然频率和阻尼比；
S2，获取系统速度-力变化关系；
S3，选择基础输入整形器，构建混合优化输入整形器；
S4，使用优化算法对混合优化输入整形器进行寻优；
S5，筛选合适性能的混合优化输入整形器；
S6，对输入混合优化输入整形器的指令进行指令重构；
S7，选择粘滞摩擦模型，使用优化算法进行摩擦辨识；
S8，根据得到的重构混合输入整形器，并融合摩擦模型构建前馈控制方法；
S9，基于模型的级联PID反馈控制设计。
2.如权利要求1所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法，其特征在于，对于进行使用位移X作为系统输入，接触力F作为力输出，通过快速傅里变化得到系统传递函数和等效自然频率和阻尼比；对于系统速度-力变化使用方波速度V作为系统输入，接触力F作为系统输出；
混合优化输入整形器由基础输入整形器按比例线性组合构成；其中比例系数和为1；基础输入整形器包括使用ZV整形器、ZVD整形器、ZVDD整形器、ZVDDD整形器、UMZV整形器、MIS整形器、SNA整形器、EI整形器；
优化方法包括使用多目标遗传算法、多目标粒子群算法；优化目标函数包括响应速度、ITAE、残余振动百分比，失配比在0.6～1.4范围内的平均响应速度、ITAE、残余振动百分比。
3.如权利要求1所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法，其特征在于，混合优化输入整形器需要进行优化，混合优化输入整形器优化流程为：
S401，根据等效自然频率和阻尼比构建等效二阶传递函数；
S402，使用优化算法生成混合优化输入整形器；
S403，使用阶跃响应作为输入，信号输入混合优化输入整形器后，使用等效二阶传递函数进仿真，得到系统仿真输出并计算优化目标函数；
S404，使用优化算法进行判断并排序；
S405，重复S402和S404直至完成优化迭代，得到混合优化整形器的帕累托解集。
4.如权利要求1所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法，其特征在于，需要对混合优化输入整形器进行指令重构，得到重构混合输入整形器；该方法为离线指令重构方法；其重构流程为：
S601，使用优化算法傅里叶-多项式系数，生成重构指令；
S602，将重构指令输入混合优化整形器和等效二阶系统，得到系统的仿真响应；
S603，将仿真响应与期望响应进行最小二乘计算，得到力轨迹误差；
S604，使用优化算法进行排序和筛选；
S605，重复S601和S604步骤直至完成优化迭代，得到重构指令。
5.如权利要求1所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法，其特征在于，使用S2得到速度-力变化，得到速度突变标志点位，使用优化算法对标志点位数据进行拟合得到粘滞摩擦模型辨识；
使用重构输入整形器进行直接力前馈控制器，使用粘滞摩擦模型作为前馈力补偿前馈控制器；
通过真实系统反馈的接触力F，速度V，位移X，设计级联PID反馈控制器，进行力位速闭环控制。
6.如权利要求1所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法，其特征在于，期望信号通过指令重构和混合优化整形器之后作为直接前馈直接输入实际系统；混合优化整形器的输出作为系统模型输入，系统模型得到力F、位置X、速度V；实际系统反馈力作为负反馈与系统模型力结合作为一级PID控制器输入；实际系统反馈速度作为负反馈结合一级PID控制器的输出和系统模型速度作为二级PID控制器输入；实际系统反馈位置作为负反馈与结合系统模型位置和二级PID控制器输出作为三级PID控制器输入；期望输入输入摩擦模型后作为直接前馈进行摩擦补偿；三级PID输出、混合优化整形器输出、摩擦模型输出结合作为实际系统的输入。
7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述柔顺末端力控执行器振动抑制方法的柔顺末端力控执行器振动抑制系统，包括：
阻尼比获取模块，用于获取系统等效自然频率和阻尼比；
变化关系获取模块，用于获取系统速度-力变化关系；
整形器构建模块，用于选择基础输入整形器，构建混合优化输入整形器；
寻优模块，用于使用优化算法对混合优化输入整形器进行寻优；
整形器筛选模块，用于筛选合适性能的混合优化输入整形器；
指令重构模块，用于对输入混合优化输入整形器的指令进行指令重构；
摩擦辨识模块，用于选择粘滞摩擦模型，使用优化算法进行摩擦辨识；
控制方法构建模块，用于根据得到的重构混合输入整形器，并融合摩擦模型构建前馈控制方法；
反馈控制设计模块，用于基于模型的级联PID反馈控制设计。
8.一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～6任意一项所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～6任意一项所述的柔顺末端力控执行器振动抑制方法的步骤。
10.一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现如权利要求7所述的柔顺末端力控执行器振动抑制系统。
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