本發(fā)明涉及機(jī)器人控制,具體是一種機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組力矩補(bǔ)償控制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
1、在現(xiàn)代工業(yè)自動化和機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組的控制精度直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能和作業(yè)質(zhì)量,然而,由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的非線性摩擦力、背隙、以及負(fù)載變化等因素的影響,關(guān)節(jié)伺服模組在執(zhí)行精密作業(yè)時(shí)容易出現(xiàn)力矩波動,導(dǎo)致定位不準(zhǔn)、動作不穩(wěn)定等問題。特別是對于需要高精度力控的應(yīng)用場景,如裝配、打磨、搬運(yùn)輕質(zhì)易損物件等,傳統(tǒng)控制方法難以實(shí)現(xiàn)力矩的精確補(bǔ)償與控制,嚴(yán)重影響了作業(yè)的效率和可靠性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組力矩補(bǔ)償控制方法及系統(tǒng),建立機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組的精確動態(tài)模型,該模型考慮了非線性摩擦、背隙效應(yīng)、負(fù)載變化等影響因素,為力矩補(bǔ)償提供理論基礎(chǔ);在關(guān)節(jié)處集成高精度力矩傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測關(guān)節(jié)實(shí)際輸出力矩與期望力矩的差異,確保反饋信息的高精度與實(shí)時(shí)性;根據(jù)關(guān)節(jié)動態(tài)模型和實(shí)時(shí)反饋的力矩差值,動態(tài)調(diào)整控制指令,實(shí)現(xiàn)對摩擦力、負(fù)載擾動等不確定。
2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
3、本技術(shù)提供了一種機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組力矩補(bǔ)償控制方法,包括
4、s1、采集機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組的初始數(shù)據(jù),結(jié)合運(yùn)動學(xué)模型和機(jī)械臂的動力學(xué)特性,建立機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組的動態(tài)模型,通過計(jì)算在特定運(yùn)動軌跡下所需的關(guān)節(jié)力矩,得到期望力矩;
5、s2、在每個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)鍵位置集成高精度力矩傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄實(shí)際輸出力矩,將期望力矩與實(shí)時(shí)監(jiān)測到的實(shí)際力矩進(jìn)行比較,計(jì)算出實(shí)際力矩與期望力矩之間的差值,得到力矩波動值;
6、其中,對力矩波動值進(jìn)行emd處理,將其分解為多個(gè)imfs,識別和量化不同時(shí)間尺度上的波動特性;
7、s3、根據(jù)控制調(diào)整指令,通過pid控制算法自動補(bǔ)償識別出的力矩波動值,調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的實(shí)際輸出力矩接近期望力矩,將調(diào)整后的控制指令實(shí)時(shí)發(fā)送到伺服驅(qū)動器,驅(qū)動機(jī)械臂關(guān)節(jié)按照期望軌跡運(yùn)動。
8、進(jìn)一步地,所述機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組的動態(tài)模型包括:
9、收集伺服模組的初始數(shù)據(jù),包括電機(jī)的扭矩常數(shù)、電阻、電感、齒輪比、連桿長度、關(guān)節(jié)和連桿的質(zhì)量分布、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量;
10、確定機(jī)械臂的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)約束,使用d-h參數(shù)方法建立運(yùn)動學(xué)模型,定義每個(gè)關(guān)節(jié)的位置和方向;
11、具體的電機(jī)產(chǎn)生的力矩表示為:
12、;
13、其中,e是反電動勢,與電機(jī)的角速度ω成正比,r是電機(jī)的電阻,l是電機(jī)的電感,是電流隨時(shí)間的變化率,表示電流的動態(tài)變化。
14、進(jìn)一步的,所述機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組的動態(tài)模型包括非線性摩擦模型、背隙模型和負(fù)載變化模型,
15、所述非線性摩擦模型,用于描述關(guān)節(jié)運(yùn)動中的摩擦力,與靜態(tài)摩擦系數(shù)、動態(tài)摩擦系數(shù)和stribeck速度相關(guān),摩擦力矩表示為:
16、;
17、其中,和分別表示靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù),是正壓力,是stribeck效應(yīng)的系數(shù),關(guān)節(jié)速度,是stribeck速度,
18、所述背隙模型,用于描述關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中的間隙效應(yīng),表示在運(yùn)動開始和停止時(shí)的非線性行為,背隙引起的額外力矩表示為:
19、;
20、其中,是背隙剛度,表示系統(tǒng)對背隙的敏感度,sat()?是一個(gè)飽和函數(shù);
21、所述負(fù)載變化模型,用于描述由于負(fù)載變化導(dǎo)致的動力學(xué)行為變化,包括負(fù)載質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量的變化,負(fù)載力矩表示為:
22、;
23、其中,是負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量,是負(fù)載質(zhì)量,g是重力加速度,是負(fù)載質(zhì)心到關(guān)節(jié)的距離,是關(guān)節(jié)的角加速度。
24、進(jìn)一步地,整合電機(jī)產(chǎn)生的力矩和機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組的動態(tài)模型,通過牛頓-拉夫森迭代法建立機(jī)械臂的動力學(xué)方程:
25、;
26、其中,m是慣性矩陣,c是離心力和科里奧利力項(xiàng),g是重力向量,u是控制輸入向量,q?是關(guān)節(jié)變量向量;
27、將機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組的動態(tài)模型得到的力矩與電機(jī)產(chǎn)生的力矩整合到控制輸入向量u中,具體表示為:
28、;
29、將控制輸入向量u?代入動力學(xué)方程,求解得到期望力矩。
30、進(jìn)一步的,分析分解得到的imfs,具體包括:
31、s211、獲取力矩波動值,對力矩波動值進(jìn)行預(yù)處理,找出力矩波動值序列的所有極值點(diǎn);
32、s212、利用極值點(diǎn)構(gòu)造上下限函數(shù),使用立方樣條插值,計(jì)算上下限函數(shù)的局部平均值,作為信號的包絡(luò)線;
33、s213、從原信號中減去包絡(luò)線,得到第一個(gè)imf的候選者,檢查是否滿足imf的條件;
34、s214、當(dāng)imf候選者滿足條件時(shí),則將其視為第一個(gè)imf;當(dāng)不滿足條件時(shí),重復(fù)步驟s21-s23,直到滿足條件時(shí)提取imf;
35、進(jìn)一步地,從原信號中減去已提取的imf,對剩余信號重復(fù)進(jìn)行提取,直到剩余信號變得單調(diào)或者不再滿足imf的條件,其中剩余信號是作為分解的殘余項(xiàng),對分解得到的每個(gè)imf進(jìn)行分析,識別物理意義和時(shí)間尺度,根據(jù)imfs的分析結(jié)果,生成動態(tài)調(diào)整的控制指令,用于補(bǔ)償力矩波動。
36、更進(jìn)一步地,生成動態(tài)調(diào)整的控制指令,包括:
37、s221、對每個(gè)imf進(jìn)行hilbert變換,獲取瞬時(shí)頻率和幅度,進(jìn)行時(shí)頻分析;
38、s222、通過獲取每個(gè)imf的瞬時(shí)頻率和幅度,分析信號在不同時(shí)間點(diǎn)的頻率特性和振動強(qiáng)度;
39、s223、計(jì)算每個(gè)imf的能量,通過平方imf的幅度并與相應(yīng)的瞬時(shí)頻率相乘,對結(jié)果進(jìn)行時(shí)間積分;
40、s224、將imfs的特征與機(jī)械臂的物理特性相對應(yīng),識別每個(gè)imf代表的物理現(xiàn)象,根據(jù)特征提取和物理現(xiàn)象識別的結(jié)果,生成控制調(diào)整指令。
41、進(jìn)一步的,根據(jù)當(dāng)前的力矩波動值計(jì)算補(bǔ)償力矩和生成控制指令,確定誤差信號,通過pid控制算法控制輸出,具體表示為:
42、;
43、其中,是比例增益,是積分增益,是微分增益;
44、通過pid控制輸出,計(jì)算補(bǔ)償力矩加到實(shí)際力矩上以減少誤差,表示為
45、,最終的力矩指令是實(shí)際測量力矩與補(bǔ)償力矩之和,表示為;將最終的力矩指令發(fā)送給伺服驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)指令調(diào)整電機(jī)輸出,以補(bǔ)償力矩波動,使實(shí)際輸出的力矩靠近期望力矩。
46、一種機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組力矩補(bǔ)償控制系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)采集與動態(tài)建模模塊、力矩監(jiān)測與波動分析模塊和控制指令生成與優(yōu)化模塊,
47、所述數(shù)據(jù)采集與動態(tài)建模模塊,用于收集伺服模組的初始數(shù)據(jù),利用d-h參數(shù)方法建立機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)模型,并結(jié)合動力學(xué)特性,建立機(jī)械臂的動態(tài)模型;
48、所述力矩監(jiān)測與波動分析模塊,監(jiān)測和記錄實(shí)際輸出力矩,將期望力矩與實(shí)時(shí)監(jiān)測到的實(shí)際力矩進(jìn)行比較,計(jì)算出力矩波動值,對力矩波動值進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解,分解為多個(gè)內(nèi)在模態(tài)函數(shù),并進(jìn)行hilbert變換獲取瞬時(shí)頻率和幅度,進(jìn)行時(shí)頻分析;
49、所述控制指令生成與優(yōu)化模塊,從imfs中提取有助于診斷的特征,識別每個(gè)imf代表的物理現(xiàn)象,根據(jù)特征提取和物理現(xiàn)象識別的結(jié)果,生成控制調(diào)整指令,應(yīng)用pid控制算法,動態(tài)調(diào)整控制參數(shù),計(jì)算補(bǔ)償力矩,生成最終的控制指令,將控制指令實(shí)時(shí)發(fā)送到伺服驅(qū)動器,執(zhí)行補(bǔ)償動作,調(diào)整機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)際輸出力矩。
50、本發(fā)明的有益效果為:
51、通過采集伺服模組的初始數(shù)據(jù)并建立動態(tài)模型,包括電機(jī)特性、非線性摩擦模型、背隙模型和負(fù)載變化模型,從而精確預(yù)測在特定操作條件下的期望力矩,再利用高精度力矩傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)際輸出力矩,并與期望力矩進(jìn)行比較,計(jì)算出力矩波動值,為補(bǔ)償提供依據(jù);
52、再采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解技術(shù)對力矩波動信號進(jìn)行分解,識別和量化不同時(shí)間尺度上的波動特性,并通過hilbert變換進(jìn)行時(shí)頻分析,深入理解力矩波動的內(nèi)在機(jī)制,從分解得到的內(nèi)在模態(tài)函數(shù)中提取有助于診斷的特征,并識別每個(gè)imf代表的物理現(xiàn)象,如摩擦、背隙、負(fù)載變化等;
53、根據(jù)特征提取和物理現(xiàn)象識別的結(jié)果,結(jié)合預(yù)測模型和pid控制算法,動態(tài)生成控制指令,以實(shí)現(xiàn)對力矩波動的精確補(bǔ)償,并將調(diào)整后的控制指令實(shí)時(shí)發(fā)送到伺服驅(qū)動器,該方法能夠有效解決了機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服模組在精密作業(yè)中面臨的力矩波動問題,顯著提高了控制精度和穩(wěn)定性,特別適用于裝配、打磨、搬運(yùn)輕質(zhì)易損物件等需要高精度力控的場景。