CN1654173B

CN1654173B - 利用加速计控制振动的方法和设备

Info

Publication number: CN1654173B
Application number: CN2004101039306A
Authority: CN
Inventors: 郭朱泳; 李湧权; 孙荣; 卢昌贤
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-12-23
Also published as: KR20050081259A; CN1654173A; US20050187669A1; KR100561862B1; JP2005228322A; US7751935B2

Abstract

一种控制具有驱动和被驱动单元的运动系统的振动的方法，包括：测量被驱动单元的加速度，通过从测量加速度中减去重力产生标称加速度，根据标称加速度产生控制驱动力，驱动力具有与测量加速度相反的方向，以及将控制驱动力施加给被驱动单元。

Description

利用加速计控制振动的方法和设备

技术领域

本发明涉及利用加速计控制振动的方法和设备。

背景技术

近来，具有产生扭矩(驱动力)的驱动单元和通过从驱动单元发出的扭矩而被驱动的被驱动单元的运动系统已经广泛用于机器人技术、自动工程等领域。特别地，关于垂直多铰链(multi-joint)机器人的运动系统，由于振动引起的位置偏差是影响运动系统性能的主要因素。即，当多铰链机器人的被驱动单元被驱动单元的扭矩驱动时，被驱动单元的运动引起的惯性力产生振动。该振动引起被驱动单元的位置偏差(mis-positioned)。因此，因为多铰链机器人被广泛的用于需要精确位置控制的领域，所以振动控制变得非常重要。

用于振动控制的传统的方法之一是增加运动系统的刚性(stiffness)。这样，运动系统的部件由高刚性材料组成或运动系统的各部件之间的连接结构是刚硬的。

然而，高刚性材料将增加制造成本。此外，因为高刚性材料重，所以能量消耗将增加。同样，当使用高刚性材料时，制造误差应该被严格的控制，因此需要高级的精确控制系统。此外，因为传统的振动控制方法是考虑初始设计而设计的，所以在实际操作中控制由被驱动单元产生的振动是非常困难的。

特别地，在两腿机器人的情况下，因为系统在没有任何固定基础的情况下被驱动，所以由运动系统质量产生的低频率振动将成为偏差的主要原因。当利用上述传统方法控制低频振动时，机器人的大小将显著地增加，这使其很难平稳的行走。

发明内容

本发明提供了一种振动控制方法，该方法可以便宜地积极控制运动系统的实际振动。

根据本发明的一个方面，提供了一种具有驱动单元和被驱动单元的运动系统的振动控制方法，该方法包括：测量被驱动单元的加速度；通过从测量加速度中减去重力产生实际标称加速度；根据实际加速度产生控制驱动力，驱动力具有与测量加速度相反的方向；并且将控制驱动力施加给被驱动单元。

根据本发明的另一方面，提供了一种通过上述方法控制的机器人铰链系统。

还根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制由驱动力移动的被驱动单元的振动的设备，包括：加速度测量单元，用于测量被驱动单元的加速度；标称加速度产生单元，用于通过从测量加速度中去除重力产生实际加速度；以及驱动单元，用于根据标称加速度产生控制驱动力，所述控制驱动力具有与测量加速度的方向相反的方向。

还根据本发明的另一方面，提供一种机器人铰链驱动系统，包括：驱动单元，产生驱动力；被驱动单元，由驱动力移动；加速度测量单元，测量被驱动单元的加速度；以及标称加速度产生单元，通过从测量加速度中去除重力产生标称加速度，其中驱动单元通过将根据标称加速度产生的控制驱动力设置为希望的设计驱动力产生驱动力。

还根据本发明的另一方面，提供了一种存储用于执行上述方法的程序的记录介质。

附图说明

通过结合附图对本发明的示范性实施例进行详细描述，本发明的上述和其他特性和优点将会变得更加清楚，并且在其中：

图1示出运动系统的振动产生原理的视图；

图2示出根据本发明的振动控制方法原理的视图；

图3是根据本发明的实施例的振动控制设备的视图；

图4示出根据本发明的实施例的用于控制振动的过程的流程图；

图5示出执行关于多个方向的振动控制的原理的视图；

图6示出应用根据本发明的振动控制方法的垂直多铰链机器人的视图；

图7A和7B是图6中所示的垂直多铰链机器人的照片描述；

图8示出应用传统振动控制方法的垂直多铰链机器人的振动控制的结果的曲线图；并且

图9示出应用根据本发明的振动控制方法的垂直多铰链机器人的振动控制结果的曲线图。

具体实施方式

通过借助示出本发明示例实施例的附图在下文中将更为详尽地描述本发明。然而，本发明可以有许多不同的形式，并且不局限于这里讨论的实施例；此外，提供这些实施例是为了完全和彻底地公开本发明，并且将完整地向本领域的技术人员传达本发明的原理。

图1示出了运动系统的振动产生原理。

运动系统被设计用于移动具有质量的物体。物体的移动可以分为线性运动和旋转运动。图1的左右分布示出了物体的线性和旋转运动。

在图1的左侧示出的线性运动中，参数F、m和a分别表示驱动单元产生的驱动力、被驱动单元的质量和被驱动单元的加速度。即，当被驱动单元受到驱动力F时，被驱动单元以a的加速度运动。当驱动力消失时，被驱动单元因惯性继续在运动方向上移动。然而，运动系统的固定几何结构在与惯性相反的第二方向产生力。结果，被驱动单元受到第二方向的力，从而在与其运动的第二方向平行的方向上振动。

在图1的右侧示出的旋转运动中，参数T、w和I分别表示相应于驱动力F的扭矩、相应于加速度a的角加速度以及相应于质量m的质量惯性矩。在如下的运动系统的描述中使用直角坐标系。

图2示出根据本发明的振动控制方法的原理。

被驱动单元收到驱动力F以在方向DM上运动。在这一点，产生加速度A1。因为被驱动单元具有质量m，所以其受重力g影响。加速度A1被分为垂直分量Av’和水平分量Ah’。在该点，垂直分量Av’恒等于重力g。该加速度A1是加速度计测量的值。

再次参考图1，当驱动力F消失时，如果驱动单元可以向被驱动单元施加与惯性力F1大小相同、方向相反的驱动力F2，则被驱动单元的振动可以被补偿。即，在测量加速度后，如果驱动单元产生驱动力F2并且将其施加给被驱动单元，则可以抑制振动。本发明就是根据该原理实现的。

再次参考图2，被驱动单元的前进方向(advancing direction)不垂直于重力，而在图1中被驱动单元的前进方向与重力垂直。因此，为了在图2中描述的运动系统中使用已经用于图1中描述的运动系统的、利用加速度的振动控制方法，因为必须考虑重力g对测量的加速度A1的影响，所以需要进行修正。

在图2中，驱动力F产生的加速度A’是在被驱动单元实际运动的位置所测量的加速度。该测量加速度A’可以分为测量的垂直分量Av’和测量的水平分量Ah’。根据图2描述的几何结构的测量的垂直和水平分量Av’和Ah’可以根据公式1计算。

〔公式1〕

Av′＝A′sinγ

Ah′＝A′cosγ

其中，γ是水平差角。

同时，因为通过重力g和标称(nominal)垂直分量Av相加确定测量的垂直分量Av’，所以应该从测量的垂直分量Av’中减去重力以计算标称垂直分量Av。这可以由公式2表示。

〔公式2〕

Av＝Av′-g

Ah＝Ah′

为了控制振动，根据标称加速度确定的控制驱动力Fc可以被施加给被驱动单元。这里，控制驱动力Fc具有与从驱动单元施加给被驱动单元的驱动力相反的方向，以抑制当被驱动单元的运动停止时产生的振动。驱动力Fc可以通过公式3表示。

〔公式3〕

Fc＝-m×Ac

其中，Ac是控制加速度(Ac在图2的动态关系中变为并且“-”示出控制驱动力和驱动力F的方向相反。

随后，该控制驱动力可以根据公式1至3确定。通过施加确定的控制驱动力可以抑制振动。

图3示出了根据本发明的实施例的振动控制设备。

该振动控制设备包括：加速度测量单元310、标称加速度产生单元320、驱动信号产生单元330以及驱动单元340。图3中描述的振动控制设备被设计用来控制预定方向的振动。

所述加速度测量单元310测量驱动所述被驱动单元的方向上的加速度。该加速度测量单元310可以由单向(one-way)或多向(multi-way)加速度传感器组成。所测量的加速度A’具有大小和方向，并且被分为水平和垂直分量Ah’和Av’。

所述标称加速度产生单元320根据关于运动方向的测量加速度A’(314)和关于运动方向的水平差角γ(316)产生标称加速度A(322)。

所述水平差角γ(316)是测量的加速度A’和水平测量加速度之间的夹角。通常地，位置控制系统包括所有被驱动单元的机械信息，并且水平差角γ(316)可以根据关于预定方向的运动的被驱动单元的机械信息容易地确定。

如上所述，标称加速度A(322)可以通过公式1和2根据测量的加速度A’(314)和水平差角γ(316)确定。因为标称加速度A(322)具有大小和方向，所以可以被分为垂直和水平分量Av和Ah。

所述驱动信号产生单元330根据标称加速度A(322)和驱动加速度324产生驱动信号332。该驱动加速度324是设计加速度。即，驱动信号产生单元330对标称加速度A(322)和驱动加速度324进行比较，并且当标称加速度A(322)小于或大于驱动加速度324时，产生驱动信号332。

该驱动信号332允许驱动单元340产生预定的驱动力。因此，驱动信号包括驱动力信息。在这点，驱动力通过公式2确定。驱动力的方向与产生测量加速度314的驱动力的方向相反。

当振动在允许的范围内时，不能有效地控制振动。因此，驱动信号产生单元330可以被设计为，当标称加速度322在预定的范围内时，不产生驱动信号。在该实施例中，驱动信号产生单元330被设计以仅当标称加速度322小于低临界值并且大于高临界值时，产生驱动信号322。例如，当运动系统的驱动加速度是5m/s²时，允许范围是在4和6m/s²之间，并且当标称加速度322等于4.5或5.5m/s²时，不产生驱动信号。

所述驱动单元340接收驱动信号332，产生相应于包含在驱动信号332中的、相应于驱动力方向和大小的驱动力344，并且将驱动力344施加给被驱动单元。通过驱动力344，被驱动单元运动并且产生新的测量加速度344并且重复上述过程。

图4示出根据本发明的实施例的振动控制方法的流程图。

在操作410中，在预定方向的驱动单元的加速度首先被测量。

在操作420中，根据水平差角提取测量加速度的垂直和水平分量。例如，垂直和水平分量可以根据公式1产生。在这种情况下，水平差角可以从运动系统的机械信息中容易地提取。

在操作430中，从测量加速度的水平和垂直分量减去重力，以提取标称加速度的水平和垂直分量。这个根据公式2完成。即，标称加速度的水平分量是测量加速度的水平分量，并且标称加速度的垂直分量是从垂直分量中减去重力的垂直分量。

在操作440中，确定标称加速度是否大于允许上限值α。该允许上限值是用户预置的。

在操作450中，当确定标称加速度大于允许上限值α时，驱动信号产生单元300产生驱动信号并且发送其到驱动单元340。该驱动信号具有控制驱动力的强度和方向的信息。该信息是由驱动信号产生单元300根据公式3产生的。控制驱动力的大小根据标称加速度的值确定，并且其方向与测量加速度的方向相反。

在操作460中，驱动单元340接收驱动信号332，响应于驱动信号332产生控制驱动力，并且将驱动力施加给被驱动单元。

当在步骤440中确定操作加速度小于允许上限值α时，执行操作470。在操作470中，确定标称加速度是否小于允许下限值β。该允许下限值也是由用户预置的。

当在操作470中确定标称加速度小于允许下限值β时，在操作480中驱动信号产生单元300产生驱动信号。

在操作490中，驱动单元340接收驱动信号332，响应于驱动信号332产生控制驱动力，并且将该驱动力施加给被驱动单元。

当用户预置关于标称加速度的允许范围时，需要操作440至490。驱动信号产生单元330执行步骤440至490，允许用户确定驱动信号的产生。

当用户不预置关于标称加速度的允许范围并且希望具有被驱动单元的实际加速度时，所述实际加速度等于设计加速度，不需要步骤440至490。即，驱动信号产生单元300确定驱动加速度是否等于标称加速度并且仅当它们彼此不相等时产生驱动信号。然而，在这种情况下，因为经常产生不需要的控制驱动力，所以控制效率变差。

图5示出了执行关于多于一个方向的振动控制的原理。

在实际运动系统中，在多于一个的驱动单元产生施加给单个被驱动单元的驱动力。在这种情况下，图2至4中所述的控制过程一同被执行。

参考图5，被驱动单元在第一和第二方向D1和D2上运动。由从第一驱动单元产生的第一驱动力确定第一方向D1，并且由从第二驱动单元产生的第二驱动力确定第二方向D2。A1’和A2’分别表示在第一和第二方向D1和D2上的第一和第二测量加速度。

在这种情况下，图4中描述的控制过程被分别关于第一和第二方向D1和D2执行。在图5的右侧视图中，x和y表示相应于第一和第二方向D1和D2的水平矢量。因此，γ是关于第一方向D1的测量加速度A1’的水平差角，并且δ是关于第二方向D2的测量加速度A2’的水平差角。

图6示出应用根据本发明的振动控制方法的垂直多铰链机器人。

图6中所示的机器人具有两条腿，并且每条腿具有三个铰链。通常，对于多铰链机器人，驱动单元被用于每个铰链。因此，三个驱动单元M1、M2和M3被分别用于三个腿铰链。当认为脚是被驱动单元610时，被驱动单元610具有质量m。给被驱动单元610通过角加速度w转动并且通过测量加速度a在前进方向移动。第一、第二和第三驱动单元M1、M2和M3影响该转动和前进运动。

当考虑关于转动运动的振动控制时，影响转动运动的运动系统包括第一、第二和第三驱动单元M1、M2和M3。因为仅对于转动运动执行振动控制，所以第一、第二和第三驱动单元可以被表示为一个转动单元Mr。在这种情况下，测量加速度为“w”，并且产生控制驱动力的驱动单元为单独转动单元Mr。

图7A和7B是描述图6所示的垂直多铰链机器人的照片。

图7A示出了该垂直多铰链机器人的脚。

参考图7A，可以注意加速度测量传感器710和720被连接在垂直多铰链机器人的脚上。

图7B是描述垂直多铰链机器人的行走运动的照片。

图8示出了描述应用传统的振动控制方法的垂直多铰链机器人的振动控制结果的图形。

细虚线810表示在执行振动控制之前的测量加速度，并且实线820表示在执行振动控制之后的测量加速度。粗虚线830表示在执行振动控制之前的测量加速度的偏移。

参考图8，可以注意到细虚线810具有与粗虚线830相等的偏移值。这是由于没有从中去除重力导致的。在这种情况下，因为在时间段51和81中加入了重力，最大振动分量不能表示标称振动加速度分量(见图8的L1)。结果，被控制的振动分量的确定可能失真。

此外，虽然实线820，特别地，在时间段61和81之间表示由重力引起的振动分量，但是驱动信号产生单元(图3中的330或图4中的450或480)可能产生不需要的额外控制信号。

图9示出应用根据本发明的振动控制方法的垂直多铰链机器人的振动控制结果的曲线图。执行关于不包括重力在内的标称加速度的振动控制。虚线910表示在执行振动控制之前的测量加速度，并且实线920表示在执行振动控制之后的测量加速度。

参考图9，因为在时间段51后提取了标称振动分量，所以容易有效地确定将被控制的具体振动分量。参考实线920，通过全部时间段的加速度的值分别在10至-10的范围内分布(参见图9的L2)。这意味这没有产生过度的振动。因此，解决了在图8中的不必要的附加控制信号产生的问题。

上述振动控制方法可以利用传统技术形成于计算机程序中。该计算机程序存储在计算机可读介质中，并且被计算机操作以实现振动控制。该计算机可读介质可以从磁记录介质、光记录介质和载波介质中选择。

根据本发明，因为在从测量加速度中减去重力的情况下执行了加速度控制，所以使得有效地控制振动变得可能。

尽管本发明是参照其示范性实施例来示出和描述的，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。

Claims

1.一种控制具有驱动单元和被驱动单元的移动系统的振动的方法，该方法包括：

测量被驱动单元的加速度；

通过从测量加速度中减去重力，产生标称加速度；

基于标称加速度产生控制驱动力，该驱动力具有与测量加速度相反的方向；并且

向被驱动单元施加控制驱动力，以抑制当被驱动单元的运动停止时产生的振动。

2.如权利要求1的方法，其中标称加速度的产生包括：

将测量加速度分成水平和垂直分量；

通过从垂直分量中减去重力，产生标称垂直分量；并且

确定水平分量作为标称水平分量。

3.如权利要求2的方法，其中利用测量加速度和水平线之间的水平差角执行测量加速度的划分。

4.如权利要求3的方法，其中根据如下公式执行测量加速度的划分：

Av′＝A′sinγ

Ah′＝A′conγ

其中，A’为测量加速度，Av’为垂直分量，Ah’为水平分量，并且γ为水平差角。

5.如权利要求2的方法，其中标称加速度的产生包括：当测量加速度以柱坐标或球坐标系统表示时，将柱坐标或球坐标系统转换为直角坐标系统。

6.如权利要求1的方法，其中控制驱动力的产生包括：

确定标称加速度是否等于运动系统的设计加速度；并且

当标称加速度不等于运动系统的设计加速度时，根据标称加速度和被驱动单元的质量产生控制驱动力。

7.如权利要求1的方法，其中控制驱动力的产生包括：

根据运动系统的期望设计加速度，确定标称加速度是否在预定的范围内；并且

当标称加速度不在预定范围内时，根据标称加速度和被驱动单元的质量产生控制驱动力。

8.如权利要求1的方法，其中运动系统为机器人的铰链运动系统。

9.一种由权利要求1的方法控制的机器人铰链系统。

10.一种控制通过驱动力移动的被驱动单元的振动的设备，包括：

加速度测量单元，用于测量被驱动单元的加速度；

标称加速度产生单元，用于通过从测量加速度中减去重力产生标称加速度；以及

驱动单元，用于根据标称加速度产生控制驱动力，该控制驱动力具有和测量加速度相反的方向，以抑制当被驱动单元的运动停止时产生的振动。

11.如权利要求10的设备，其中标称加速度产生单元通过将测量加速度分为水平和垂直分量并且从垂直分量中减去重力，产生标称垂直分量。

12.如权利要求11的设备，其中标称加速度测量单元利用测量加速度和水平线之间的水平差角，将测量加速度划分为水平和垂直分量。

13.如权利要求12的设备，其中根据如下公式执行测量加速度的划分：

Av′＝A′sinγ

Ah′＝A′conγ

14.如权利要求11的设备，还包括坐标变换单元，当测量加速度以柱坐标或球坐标系统表示时，将柱坐标或球坐标系统转换为直角坐标系统。

15.如权利要求11的设备，其中驱动单元根据标称加速度是否等于运动系统的设计加速度产生驱动力。

16.如权利要求15的设备，其中当标称加速度不等于运动系统的设计加速度时，驱动单元根据标称加速度和被驱动单元的质量产生控制驱动力。

17.如权利要求11的设备，其中如果根据运动系统的设计加速度标称加速度在预定范围内，则驱动单元产生驱动力。

18.如权利要求17的设备，其中，当标称加速度不在预定的范围内时，驱动单元根据标称加速度和被驱动单元的质量产生控制驱动力。

19.如权利要求11的设备，其中运动系统是机器人的铰链运动系统。

20.一种机器人的铰链驱动系统，包括

驱动单元，产生驱动力；

被驱动单元，通过驱动力移动；

加速度测量单元，测量被驱动单元的加速度；以及

标称加速度产生单元，通过从测量加速度中去除重力产生标称加速度，

其中驱动单元通过设置根据标称加速度产生的控制驱动力为设计驱动力来产生驱动力，该驱动力具有与测量加速度相反的方向，以抑制当被驱动单元的运动停止时产生的振动。