CN1290679C - 机器人关节的双闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人关节的双闭环控制系统，由关节传动误差检测系统、信号采集及处理系统和控制系统三部分组成。在关节电机转动轴上安装角度传感器，在关节减速器的输出端安装角度传感器，二者检测到的转动角度信息经过信号采集处理系统处理后，都反馈到控制系统中，共同构成一个双闭环的控制系统，通过一定的算法，能够有效的消除减速器的传动误差影响，实现运动系统的高精度控制。该系统工艺简单，运动控制精度高，误差消除效果好。

Description

机器人关节的双闭环控制系统

技术领域：

本发明为机器人关节的双闭环控制系统，属于机器人技术和自动化领域，可以有效的抑制关节减速器系统中的传动误差，实现机器人关节运动的精确控制。

背景技术：

目前，在机器人的关节中普遍使用减速器(如减速器、齿轮减速器等)，用来将电机的高转速、低转动力矩运动转化为低速度、高转动力矩运动，然后驱动关节运动。但是，减速器传动系统存在一个显著的机械柔性误差的问题。理论上，减速器的输入和输出之比为其减速比。但是实际上，任何物体在受到外力的时候总会产生程度不同的变形，所以当减速器的输出端承受一定的扭矩的时候，减速器的实际输出总是与理论输出有所偏差，并不是完全等于输入除以减速比，这个偏差我们称其为减速器系统的机械柔性误差。

当前，很多机器人控制系统采用的是一种单环的伺服控制系统，在此类系统中，或者将电机上安装的角度传感器测量的电机的转动角度做为控制系统的反馈量(称之为内环反馈)，或者将安装在减速器输出端的角度传感器测量的减速器输出角度做为系统的反馈量(称之为外环反馈)。前者的优点是传感器的实际测量精度由于受到减速器的减速比的影响而大大增加，缺点是由于传感器安装在减速器的前端，将减速器的理论输出(即减速器的输入与减速比的商)视为减速器的实际输出，所以无法检测到减速器的传动误差；后者的优点在于传感器安装在减速器术端，所以可以检测到柔性误差，但是传感器的实际检测精度比内环低。所以，这种单环的控制系统既无法充分利用内环或者外环反馈的优点，又使其受到二者缺点的影响，从而存在着明显的缺陷。

发明内容：

为了充分利用内环和外环的反馈信息，实现对关节运动的精确控制，本发明提出了一种新的机器人关节的双闭环控制系统。

本发明采用的技术方案是：整个系统包括误差测量反馈系统、信号采集及处理系统和控制系统三部分。其中误差测量反馈系统由测量角度的传感器(如光电轴角编码器)组成；信号采集及处理系统由信号采集板(含模/数转换器件)及相应的接口电路组成；控制系统由控制计算机和对应的软件组成。

其主要技术方案为：电机的输出轴与减速器的输入轴相连接，减速器的输出轴与要驱动的部件相连接。电机的转轴上安装有测量角度的传感器，用来测量电机的转动角度，称之为内环反馈；同时在减速器的输出端也装有测量角度的传感器，用来测量减速器输出端的转动角度，称之为外环反馈。

安装在电机输出端和减速器输出端的传感器的输出信号首先经过信号采集和处理系统，进行模数转换、数字滤波等处理后，传输到控制计算机中做为PID控制系统的反馈信号，这样就形成了双闭环控制系统。

控制算法的规划需要考虑到内环和外环反馈信号的特点。内环反馈的信号是电机的转动角度，外环反馈信号是关节的转动角度，由于在内环和外环之间存在着减速器，所以内环信号中所包含的误差信息将会相应的减小，也就是说具有很高的测量精度。举例来说，如果内环传感器的误差是0.1，在减速器的减速比为100的情况下，反馈到控制系统中的数值误差为0.1/100。而外环反馈直接测量减速以后的输出，所以检测的精度完全依靠传感器本身的精度。另外，由于关节处存在着减速器柔性传动误差等误差因素，内环测量信号的误差与关节柔性误差的和可能大于外环测量信号的误差，这时候外环信号就具有较高的可信度。所以，应该根据内环和外环信号的特点和关节运动的实际情况来决定算法。

算法的关键问题是对内外环信号的取舍问题。为了合理采用双环的反馈量，所采用的反馈信息的通式为：

                           F＝K×Fi+(1-K)×Fo

其中F为算法中所采用的反馈量，Fi为内环反馈量，Fo为外环反馈量，K为反馈系数，是一个介于0和1之间的小数，可以取0或者1。对内外环信号的取舍问题就转化为反馈系数K的变化规律问题。

K的取值原则是：当关节的柔性误差远远大于外环传感器本身误差的时候，外环传感器信号的可信度较高，这时K取值较小，F中外环反馈信息Fo的比重较大；反之，K取值较大，内环信号的可信度高，F中Fi的比重较大。当柔性误差为零的时候，内环传感器的反馈信息是完全可信的，K可以为1，此时，F＝Fi，外环的反馈信号Fo就完全被忽略。

本发明的有益效果是：

1.通过双闭环反馈控制系统，消除了减速器系统的柔性误差，实现对运动系统的精确控制。

2.合理利用内外环的反馈信号，减小信号误差影响的同时实现了双环信号的有效利用。

3.机构简单，可靠性高。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图(剖面图)

图2是本发明的立体图

图3是电位器

图4是光电轴角编码器

图5半闭环控制系统原理图

图6是双闭环控制系统的原理图

图7关节的力矩变化曲线

图8该关节处K的变化曲线

图1-6中：1.电机固定装置2.轴承3.电位器固定座4.减速器输出端5.谐波减速器6.电机7.光电轴角编码器8.电位器9.挠性连轴器10.连轴器连接端

根据图7、8中可以根据实验结果对比情况进一步对图8K的取值进行微调，以达到更加良好的控制效果。

具体实施方式：

第一步：如图1中所示，电机6安装在电机固定装置1内，光电轴角编码器7安装在电机的转轴上。谐波减速器5的输出端4通过轴承2实现与电机固定装置的相对转动，根据在技术方案中提出的传感器安装准则，电位器8通过电位器固定座3固定在电机固定装置1上，电位器8的转动端通过挠性连轴器9与连轴器连接端10相连，电位器8连接端与减速器输出端4固连，这样就可以保证电位器8可以测量减速器输入端与输出端的相对转动。

第二步：安装在电机轴上的光电轴角编码器7与安装在减速器输出端上的电位器8的测量信号经信号处理系统进行信号处理后，传输到控制计算机中，做为控制的反馈量，通过PID控制参数的调节，实现最佳的控制方案，实现机器人关节的快速精确控制。

对于该关节的K的取值问题可以根据该关节所承受力矩大小决定。当关节承受的力矩较大的时候，柔性误差也比较大，这时候外环的信号的可信程度增加，对应的K取值会减小。反之则柔性误差较小，K取值应该较大。由传感器所测得的该关节的力矩变化规律如图7所示；对照力矩的变化规律可以初步确定K的变化规律如图8中所示。

Claims (2)

1.一种机器人关节的双闭环控制系统，包括关节传动误差检测系统、信号采集及处理系统和控制系统三部分，其中关节传动误差检测系统由测量角度的传感器构成；信号采集及处理系统由信号采集板及相应的接口电路组成；控制系统由控制计算机和对应的软件组成，其特征在于：在关节电机转动轴上安装角度传感器，用来测量电机的转动角度，该测量的电机转动角度构成内环反馈信号，在关节减速器的输出端安装角度传感器，用来测量减速器输出端的转动角度，该测量的减速器输出端的转动角度构成外环反馈信号，关节电机转动轴上的角度传感器和关节减速器输出端的角度传感器测量到的转动信息经过信号采集处理系统处理后，都反馈到控制系统中，共同构成一个双闭环的控制系统。

2.如权利要求1所述的机器人关节的双闭环控制系统，其特征在于：控制系统所采用的反馈信号是两个反馈环信号的加权形式，比较两个反馈环的传感器信号误差和分析关节处柔性传动误差大小变化规律，确定对两个反馈环的信号的信任程度，通过加权系数来调整所采用的反馈信号中两个反馈环信号所占的比例。

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