本發(fā)明涉及工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法。

背景技術(shù)：

目前工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域從汽車、電子電器、機械等行業(yè)逐步向其他應(yīng)用領(lǐng)域擴展，在越來越多的應(yīng)用任務(wù)中，尤其是產(chǎn)品線更替周期短的應(yīng)用場景，對機器人的應(yīng)用柔性和部署快速性提出了更高要求。在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，機器人應(yīng)用任務(wù)示教環(huán)節(jié)占據(jù)了大量部署時間，并且傳統(tǒng)工業(yè)機器人采用的示教盒現(xiàn)場示教或者離線編程示教方式，都需要操作人員具備較高的專業(yè)技術(shù)，為機器人應(yīng)用的帶來一定難度。拖動示教技術(shù)通過直接手持牽引機器人到達指定位姿或沿特定軌跡移動，同時記錄示教過程的位姿數(shù)據(jù)，以直觀方式對機器人應(yīng)用任務(wù)進行示教，可大幅縮短工業(yè)機器人在應(yīng)用部署階段的編程效率，降低對操作人員的要求，達到降本增效的目的。

根據(jù)外部拖動力信息獲取方式的不同，工業(yè)機器人拖動示教實現(xiàn)方式分為兩種：1)依賴外部力傳感器的拖動示教，2)無力傳感器的拖動示教。

目前安裝六維力/力矩傳感器的拖動示教方式，通過傳感器敏感外部牽引力，并通過控制算法將外部力信息轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)運動控制信息，引導(dǎo)機器人末端移動或旋轉(zhuǎn)，完成應(yīng)用任務(wù)示教。此種直接示教方式，雖然可以取得比較好的應(yīng)用效果，但存在以下幾方面不足：1)傳感器成本高，不適用于低成本小負(fù)載機器人；2)需要控制系統(tǒng)配置額外的資源處理數(shù)據(jù)；3)示教在笛卡爾空間完成，無法自由配置關(guān)節(jié)位姿，在存在避障要求的環(huán)境中應(yīng)用受限。

無力矩傳感器的拖動示教，通過動力學(xué)模型和外力估計算法，結(jié)合機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動力、電機編碼器等自身采集信息，完成重力、摩擦力等關(guān)節(jié)運動需克服的驅(qū)動力補償，使機器人處于近零力控制狀態(tài)，以便手動牽引機器人移動。無力矩傳感器的拖動示教可以較低的系統(tǒng)成本實現(xiàn)與力傳感器接近的直接示教效果。

雖然無力矩傳感器的拖動示教技術(shù)是一種低成本的替代方案，但仍存在亟待解決的難點比如動力學(xué)模型補償精度低、低速區(qū)摩擦力補償不確定性、小范圍精確移動難控制以及在通用機器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用配置等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提供一種無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法，包括如下步驟：

步驟s1，采用關(guān)節(jié)逆動力學(xué)模型進行關(guān)節(jié)力矩補償，以控制關(guān)節(jié)處于近零力平衡控制狀態(tài)；

步驟s2，根據(jù)抖動控制原理，在摩擦力死區(qū)內(nèi)，通過主動抖動控制前饋，以使關(guān)節(jié)處于激活狀態(tài)，并對采用串級pid控制的通用控制系統(tǒng)，速度積分增益為正常控制時的一個數(shù)量級以上，增大控制器速度積分增益以提高控制系統(tǒng)在摩擦力死區(qū)內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)；

步驟s3，采斜坡動態(tài)補償方法對庫倫摩擦進行補償，包括：采用下式的斜坡動態(tài)補償方程：

其中，為關(guān)節(jié)運動速度，通過低通差分方法得到，為庫倫摩擦線性補償角速度下限，角速度低于該值時，不進行庫倫摩擦補償，的設(shè)置根據(jù)關(guān)節(jié)低速運動角速度噪聲水平確定；為庫倫摩擦線性補償上限，超過該值庫倫摩擦為恒定值；角速度區(qū)間內(nèi)，庫倫摩擦力補償值隨角速度斜坡過渡；

步驟s4，拖動示教技術(shù)在通用位置控制模式下實現(xiàn)，以避免驅(qū)動器控制模式切換，其中，所述通用位置控制模式為：

將驅(qū)動器位置環(huán)比例增益kp，速度環(huán)比例增益kv置為零；

通過下式所示的輸出偏差觀測器，估計由積分初值帶來的控制量，并對前饋信號進行補償

τffd(tk)＝τffd(tk-1)+δu(tk)

δu(tk)＝τid(tk)-τid(tk-1)+k{τid(tk)-[τc(tk)+δu(tk-1)+δu(tk-2)]}

將補償力矩和模型補償力矩通過力矩前饋項加載至電流環(huán)；

調(diào)整速度環(huán)積分增益至主動抖動控制；

在關(guān)節(jié)運動速度大于摩擦力死區(qū)速度時，關(guān)閉主動抖動控制信號，只保留模型補償力，當(dāng)拖動進入摩擦力死區(qū)內(nèi)，重新啟動抖動控制信號前饋。

進一步，在所述步驟s1中，所述關(guān)節(jié)逆動力學(xué)模型為：

其中：g(q)分別為關(guān)節(jié)端的慣性力、科氏力、重力；

為關(guān)節(jié)摩擦力，在此以線性模型表示，包括動摩擦和庫倫摩擦兩項：

關(guān)節(jié)位置q通過電機編碼器獲取，關(guān)節(jié)速度通過位置的數(shù)據(jù)通過下式低通差分方法得到：

進一步，在所述步驟s2中，所述pid控制的通用控制系統(tǒng)中，電流環(huán)控制信號輸入如下所示：

主動抖動控制信號的形式采用方波信號，直接施加在力矩控制環(huán)，采用定周期方波信號，抖動控制信號采用下式所示的分段函數(shù)形式，包括：摩擦死區(qū)抖動上升段，摩擦死區(qū)抖動信號飽和段，滑動摩擦段；

其中：t為進入摩擦死區(qū)時間；amp為抖動信號的幅值，由庫倫摩擦力的幅值決定，該參數(shù)可由動力學(xué)參數(shù)辨識得到；為周期方波函數(shù)，tdither為抖動控制信號周期，抖動信號的頻率由庫倫摩擦的動態(tài)響應(yīng)特性決定，tramp為抖動控制信號斜坡上升時間。

進一步，在所述步驟s3中，

其中，dhold為設(shè)定的目標(biāo)點動范圍，超過該值停止摩擦力補償；d0為線性補償下限，當(dāng)移動距離小于該值摩擦力正常補償，移動距離超過該值并向目標(biāo)值靠近時摩擦力補償線性降低。

根據(jù)本發(fā)明實施例的無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法，具有以下有益效果：

1)采用的拖動示教方法，無需配置力傳感器，成本低；

2)方法在機器人控制系統(tǒng)應(yīng)用無需切換驅(qū)動器的控制模式，只需簡單的在線配置即可實現(xiàn)，對一般機器人控制系統(tǒng)具有普適性；

3)采用的主動抖動控制方法，可有效降低摩擦力死區(qū)內(nèi)克服庫倫摩擦的牽引力，使?fàn)恳苿痈巾槪?/p>

4)采用的庫倫摩擦力線性補償方法可有效提高牽引移動精度尤其是小范圍移動的精度。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法的框架圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的采用串級pid控制的通用控制框架圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的抖動信號的中值和幅值的示意圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例的無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法，包括如下步驟：

步驟s1，采用關(guān)節(jié)逆動力學(xué)模型進行關(guān)節(jié)力矩補償，以控制關(guān)節(jié)處于近零力平衡控制狀態(tài)。

具體地，采用下式關(guān)節(jié)逆動力學(xué)模型進行關(guān)節(jié)力矩補償，關(guān)節(jié)處于近零力平衡控制狀態(tài)。

牽引示教過程牽引力只需平衡慣性力作用，對于小負(fù)載工業(yè)機器人，在示教過程移動速度較小連桿慣量小的情況下，可以較小的力完成機器人牽引移動過程。

其中：g(q)分別為關(guān)節(jié)端的慣性力、科氏力、重力。

為關(guān)節(jié)摩擦力，在此以線性模型表示，包括動摩擦和庫倫摩擦兩項：

逆動力學(xué)模型中的各項參數(shù)采用工業(yè)機器人動力學(xué)參數(shù)辨識方法得到。關(guān)節(jié)位置q通過電機編碼器獲取，關(guān)節(jié)速度通過位置的數(shù)據(jù)通過下式低通差分方法得到：

步驟s2，根據(jù)抖動控制原理，在摩擦力死區(qū)內(nèi)，通過主動抖動控制前饋，以使關(guān)節(jié)處于激活狀態(tài)，并對采用串級pid控制的通用控制系統(tǒng)，速度積分增益為正?？刂茣r的一個數(shù)量級以上，增大控制器速度積分增益以提高控制系統(tǒng)在摩擦力死區(qū)內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)。

具體地，為克服力矩補償控制下關(guān)節(jié)低速區(qū)庫倫摩擦補償不確定性的問題，根據(jù)抖動控制原理，在摩擦力死區(qū)內(nèi)，通過主動抖動控制前饋，使關(guān)節(jié)處于激活狀態(tài)。同時對采用串級pid控制的通用控制框架，如圖3所示。速度積分增益為正?？刂茣r的一個數(shù)量級以上，通過增大控制器速度積分增益提高控制系統(tǒng)在摩擦力死區(qū)內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)。電流環(huán)控制信號輸入如式(4)所示。

主動抖動控制信號的形式采用方波信號，直接施加在力矩控制環(huán)，采用定周期方波信號，為保證控制過程平穩(wěn)，抖動控制信號采用式(5)所示的分段函數(shù)形式，包括：a.摩擦死區(qū)抖動上升段，b.摩擦死區(qū)抖動信號飽和段，c.滑動摩擦段。

其中：t為進入摩擦死區(qū)時間；amp為抖動信號的幅值，由庫倫摩擦力的幅值決定，該參數(shù)可由動力學(xué)參數(shù)辨識得到。

為周期方波函數(shù)，tdither為抖動控制信號周期，抖動信號的頻率由庫倫摩擦的動態(tài)響應(yīng)特性決定。tramp為抖動控制信號斜坡上升時間，在該時間內(nèi)抖動信號的中值和幅值都按照圖4所示的時間規(guī)律斜坡上升。

步驟s3，采斜坡動態(tài)補償方法對庫倫摩擦進行補償。

具體地，由式(2)可知庫倫摩擦力是與速度方向相關(guān)的非線性項，為降低由關(guān)節(jié)位置差分噪聲引起的庫倫摩擦補償?shù)牟淮_定性，對庫倫摩擦采用斜坡動態(tài)補償方法：

其中，為關(guān)節(jié)運動速度，通過式(3)的低通差分方法得到，為庫倫摩擦線性補償角速度下限，角速度低于該值時，不進行庫倫摩擦補償，的設(shè)置根據(jù)關(guān)節(jié)低速運動角速度噪聲水平確定。為庫倫摩擦線性補償上限，超過該值庫倫摩擦為恒定值。角速度區(qū)間內(nèi)，庫倫摩擦力補償值隨角速度斜坡過渡。α為庫倫摩擦補償系數(shù)，通過調(diào)節(jié)該系數(shù)可適當(dāng)增加拖動過程的阻尼，提高移動精度。

庫倫摩擦死區(qū)的存在使得無傳感器的拖動示教很難實現(xiàn)小范圍精確移動，為實現(xiàn)小范圍定位移動，通過式(6)的摩擦力補償方法，實現(xiàn)移動距離可設(shè)置的拖動點動模式。

其中dhold為設(shè)定的目標(biāo)點動范圍，超過該值停止摩擦力補償。d0為線性補償下限，當(dāng)移動距離小于該值摩擦力正常補償，移動距離超過該值并向目標(biāo)值靠近時摩擦力補償線性降低。

步驟s4，拖動示教技術(shù)在通用位置控制模式下實現(xiàn)，以避免驅(qū)動器控制模式切換。

具體地，對上述無力矩傳感器的拖動示教方法，在機器人控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式如圖2所示，為了提高方法的通用性，所提拖動示教技術(shù)在通用位置控制模式下實現(xiàn)，從而避免驅(qū)動器控制模式切換，控制系統(tǒng)設(shè)置方法如下：

1)將驅(qū)動器位置環(huán)比例增益kp，速度環(huán)比例增益kv置為零(如果位置控制有積分反饋，則需將位置環(huán)積分增益同樣置為零)；

2)通過式(8)所示的輸出偏差觀測器，估計由積分初值帶來的控制量，并對前饋信號進行補償

τffd(tk)＝τffd(tk-1)+δu(tk)

δu(tk)＝τid(tk)-τid(tk-1)+k{τid(tk)-[τc(tk)+δu(tk-1)+δu(tk-2)]}(8)

3)將由(1)式得到的模型補償力矩和由(5)式得到的模型補償力矩通過力矩前饋項加載至電流環(huán)；

4)調(diào)整速度環(huán)積分增益至主動抖動控制可顯著降低庫倫摩擦力死區(qū)閾值，并且不引起關(guān)節(jié)明顯抖動；

5)在關(guān)節(jié)運動速度大于摩擦力死區(qū)速度時，關(guān)閉主動抖動控制信號，只保留模型補償力，當(dāng)拖動進入摩擦力死區(qū)內(nèi)，重新啟動抖動控制信號前饋。

本發(fā)明實施例的無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法，通過逆動力學(xué)模型補償方式實現(xiàn)關(guān)節(jié)零力控制，并且機器人動力學(xué)參數(shù)可由參數(shù)辨識方法得到；在摩擦力死區(qū)內(nèi)，通過主動抖動控制并增大控制器速度積分增益，提高控制系統(tǒng)在摩擦力死區(qū)內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)；通過庫倫摩擦與關(guān)節(jié)運動速度，移動距離相關(guān)的動態(tài)補償，提高牽引示教移動精度；通過驅(qū)動器增益在線調(diào)整以及力矩前饋控制信號調(diào)整，實現(xiàn)所提方法在通用機器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

根據(jù)本發(fā)明實施例的無力矩傳感器的工業(yè)機器人拖動示教方法，具有以下有益效果：

1)采用的拖動示教方法，無需配置力傳感器，成本低；

2)方法在機器人控制系統(tǒng)應(yīng)用無需切換驅(qū)動器的控制模式，只需簡單的在線配置即可實現(xiàn)，對一般機器人控制系統(tǒng)具有普適性；

3)采用的主動抖動控制方法，可有效降低摩擦力死區(qū)內(nèi)克服庫倫摩擦的牽引力，使?fàn)恳苿痈巾槪?/p>

4)采用的庫倫摩擦力線性補償方法可有效提高牽引移動精度尤其是小范圍移動的精度。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求極其等同限定。