本發(fā)明涉及伺服電機(jī)參數(shù)調(diào)整方法，尤其涉及基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)廣泛應(yīng)用于人形機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作式機(jī)器人等領(lǐng)域，作為驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，受到高度重視。這些機(jī)器人中，各個(gè)關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)存在強(qiáng)耦合作用，即一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)會(huì)直接影響其他關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)和控制這些伺服系統(tǒng)時(shí)，需要考慮到各關(guān)節(jié)之間的相互作用。

2、隨著機(jī)器人的位姿和負(fù)載的變化，關(guān)節(jié)的負(fù)載慣量也會(huì)發(fā)生改變。這種變化對(duì)伺服參數(shù)的魯棒性提出了更高的要求。魯棒性指的是伺服系統(tǒng)在面對(duì)不確定性和變化時(shí)，依然能夠穩(wěn)定有效地運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)這些變化的控制算法顯得尤為重要。

3、目前，常用的伺服參數(shù)整定方法主要有兩種：?jiǎn)谓M參數(shù)整定法和基于慣量辨識(shí)的整定方法。單組參數(shù)整定法依賴(lài)于調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)，使用一組固定的參數(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)多種不同的工作狀態(tài)。這種方法在面對(duì)復(fù)雜多變的工作環(huán)境時(shí)，往往會(huì)限制伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性能，導(dǎo)致效率降低。基于慣量辨識(shí)的整定方法則是在使用過(guò)程中，根據(jù)辨識(shí)出的負(fù)載慣量動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，以提高伺服系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的性能。這種方法在理論上能夠充分發(fā)揮伺服電機(jī)的性能，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一些局限性，比如需要在上位機(jī)或伺服系統(tǒng)中進(jìn)行在線慣量辨識(shí)，這對(duì)伺服運(yùn)行的軌跡和加速度有一定的要求。在某些特殊工況下，可能會(huì)出現(xiàn)辨識(shí)失效的情況，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。還有一些算法需要實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，這要求準(zhǔn)確了解機(jī)器人負(fù)載的重量和重心位置。面對(duì)隨機(jī)負(fù)載的工況，這些方法缺乏適應(yīng)能力，導(dǎo)致控制精度下降。

4、因此，有必要設(shè)計(jì)一種新的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)方案在參數(shù)整定和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性方面的不足，提高伺服系統(tǒng)在多變環(huán)境下的魯棒性和性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法及系統(tǒng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，包括：

3、在機(jī)器人安裝之前，針對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)在不同負(fù)載狀態(tài)下發(fā)送特定指令，獲取關(guān)節(jié)負(fù)載端轉(zhuǎn)速和電機(jī)端轉(zhuǎn)速，同時(shí)調(diào)整并標(biāo)定控制參數(shù)，在獲取符合要求的控制效果后將標(biāo)定的控制參數(shù)作為關(guān)節(jié)特征信息存儲(chǔ)進(jìn)關(guān)節(jié)內(nèi)部存儲(chǔ)器中；

4、對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)建模分析，計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、質(zhì)心位置和電機(jī)軸偏轉(zhuǎn)角度動(dòng)力學(xué)參數(shù)；

5、在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)機(jī)器人的負(fù)載，結(jié)合機(jī)器人自身的姿態(tài)信息，計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的重力補(bǔ)償值；

6、每個(gè)關(guān)節(jié)通過(guò)前饋數(shù)據(jù)通道接收重力補(bǔ)償值，并利用數(shù)據(jù)插補(bǔ)算法細(xì)分均勻的分配到每個(gè)控制周期；

7、在機(jī)器人工作時(shí)，每個(gè)關(guān)節(jié)將重力補(bǔ)償值作為力矩環(huán)指令的補(bǔ)償量，通過(guò)力矩控制環(huán)路施加到電機(jī)及負(fù)載上；且由根據(jù)重力補(bǔ)償值和整定后的控制參數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)。

8、其進(jìn)一步技術(shù)方案為：所述在機(jī)器人安裝之前，針對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)在不同負(fù)載狀態(tài)下發(fā)送特定指令，獲取關(guān)節(jié)負(fù)載端轉(zhuǎn)速和電機(jī)端轉(zhuǎn)速，同時(shí)調(diào)整并標(biāo)定控制參數(shù)，在獲取符合要求的控制效果后將標(biāo)定的控制參數(shù)作為關(guān)節(jié)特征信息存儲(chǔ)進(jìn)關(guān)節(jié)內(nèi)部存儲(chǔ)器中，包括：

9、在機(jī)器人安裝之前，對(duì)關(guān)節(jié)在不同負(fù)載下的響應(yīng)情況進(jìn)行測(cè)試，并從測(cè)試結(jié)果中選擇設(shè)定數(shù)量的控制參數(shù)，以得到標(biāo)定后的控制參數(shù)，且將標(biāo)定后的控制參數(shù)作為關(guān)節(jié)特征信息存儲(chǔ)進(jìn)關(guān)節(jié)內(nèi)部存儲(chǔ)器中。

10、其進(jìn)一步技術(shù)方案為：標(biāo)定后的控制參數(shù)滿足大、中、小三種不同負(fù)載狀態(tài)下的性能要求。

11、其進(jìn)一步技術(shù)方案為：所述在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)機(jī)器人的負(fù)載，結(jié)合機(jī)器人自身的姿態(tài)信息，計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的重力補(bǔ)償值；每個(gè)關(guān)節(jié)采用前饋數(shù)據(jù)通道接收重力補(bǔ)償值，并利用數(shù)據(jù)插補(bǔ)算法細(xì)分均勻的分配到每個(gè)控制周期，包括：

12、在帶有機(jī)械臂的機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)機(jī)械臂的負(fù)載；

13、根據(jù)所述機(jī)械臂的負(fù)載采用關(guān)節(jié)重力補(bǔ)償力矩計(jì)算公式計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的重力補(bǔ)償值，每個(gè)關(guān)節(jié)采用前饋數(shù)據(jù)通道接收重力補(bǔ)償值，并利用數(shù)據(jù)插補(bǔ)算法細(xì)分均勻的分配到每個(gè)控制周期。

14、其進(jìn)一步技術(shù)方案為：所述在帶有機(jī)械臂的機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)機(jī)械臂的負(fù)載，包括：

15、在帶有機(jī)械臂的機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中采用機(jī)械臂總重力減去機(jī)械臂本身重力，確定機(jī)械臂負(fù)載。

16、其進(jìn)一步技術(shù)方案為：所述根據(jù)所述機(jī)械臂的負(fù)載采用關(guān)節(jié)重力補(bǔ)償力矩計(jì)算公式計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的重力補(bǔ)償值，每個(gè)關(guān)節(jié)采用前饋數(shù)據(jù)通道接收重力補(bǔ)償值，并利用數(shù)據(jù)插補(bǔ)算法細(xì)分均勻的分配到每個(gè)控制周期，包括：

17、對(duì)機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)采用τn＝a1·a2·...·an·tn·tn+1·g負(fù)載計(jì)算重力補(bǔ)償值，其中，ai代表關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，tn代表關(guān)節(jié)的力臂，g負(fù)載表示機(jī)械臂負(fù)載。

18、其進(jìn)一步技術(shù)方案為：所述關(guān)節(jié)的力臂通過(guò)tn＝cosθ·len計(jì)算，其中，θ為關(guān)節(jié)角度，len是對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度。

19、其進(jìn)一步技術(shù)方案為：所述在機(jī)器人工作時(shí)，每個(gè)關(guān)節(jié)將重力補(bǔ)償值作為力矩環(huán)指令的補(bǔ)償量，通過(guò)力矩控制環(huán)路施加到電機(jī)及負(fù)載上；且由根據(jù)重力補(bǔ)償值和整定后的控制參數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)，包括：

20、采用計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)，其中，pi表示速度環(huán)控制參數(shù)的矩陣pi＝[pv,iv]，表示驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)，gcomp表示重力補(bǔ)償值，t1和t2分別表示重力補(bǔ)償值的第1切換點(diǎn)和第2切換點(diǎn)，t1-ml1和t1+mh1共同定義第1分界線附近過(guò)渡區(qū)的范圍，類(lèi)似的，t2-ml2和t2+mh2共同定義第2分界線附近的過(guò)渡區(qū)的范圍。

21、本發(fā)明還提供了一種使用了上述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法的系統(tǒng)，包括：機(jī)械臂、重力計(jì)以及控制器，所述機(jī)械臂位于所述重力計(jì)上，所述控制器與所述機(jī)械臂以及所述重力計(jì)連接。

22、其進(jìn)一步技術(shù)方案為：所述機(jī)械臂上設(shè)有若干個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。

23、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)在機(jī)械臂安裝之前為每個(gè)關(guān)節(jié)標(biāo)定控制參數(shù)，可以確保在不同負(fù)載狀態(tài)下的響應(yīng)更加準(zhǔn)確，從而提高系統(tǒng)的初始性能；在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)關(guān)節(jié)的負(fù)載，使得系統(tǒng)能夠及時(shí)獲取環(huán)境變化信息，增強(qiáng)對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載的適應(yīng)能力。計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的重力補(bǔ)償值，使伺服系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而改善控制精度；動(dòng)態(tài)計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)控制參數(shù)，確保在多變環(huán)境中能夠快速適應(yīng)，提高了系統(tǒng)的靈活性與魯棒性；結(jié)合標(biāo)定和實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，使得伺服系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中維持高性能，減少了因負(fù)載變化引起的控制不穩(wěn)定性。

24、下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

技術(shù)特征：

1.基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，其特征在于，所述在機(jī)器人安裝之前，針對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)在不同負(fù)載狀態(tài)下發(fā)送特定指令，獲取關(guān)節(jié)負(fù)載端轉(zhuǎn)速和電機(jī)端轉(zhuǎn)速，同時(shí)調(diào)整并標(biāo)定控制參數(shù)，在獲取符合要求的控制效果后將標(biāo)定的控制參數(shù)作為關(guān)節(jié)特征信息存儲(chǔ)進(jìn)關(guān)節(jié)內(nèi)部存儲(chǔ)器中，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，其特征在于，標(biāo)定后的控制參數(shù)滿足大、中、小三種不同負(fù)載狀態(tài)下的性能要求。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，其特征在于，所述在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)機(jī)器人的負(fù)載，結(jié)合機(jī)器人自身的姿態(tài)信息，計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的重力補(bǔ)償值；每個(gè)關(guān)節(jié)采用前饋數(shù)據(jù)通道接收重力補(bǔ)償值，并利用數(shù)據(jù)插補(bǔ)算法細(xì)分均勻的分配到每個(gè)控制周期，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，其特征在于，所述在帶有機(jī)械臂的機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)機(jī)械臂的負(fù)載，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，其特征在于，所述根據(jù)所述機(jī)械臂的負(fù)載采用關(guān)節(jié)重力補(bǔ)償力矩計(jì)算公式計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的重力補(bǔ)償值，每個(gè)關(guān)節(jié)采用前饋數(shù)據(jù)通道接收重力補(bǔ)償值，并利用數(shù)據(jù)插補(bǔ)算法細(xì)分均勻的分配到每個(gè)控制周期，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，其特征在于，所述關(guān)節(jié)的力臂通過(guò)tn＝cosθ·len計(jì)算，其中，θ為關(guān)節(jié)角度，len是對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法，其特征在于，所述在機(jī)器人工作時(shí)，每個(gè)關(guān)節(jié)將重力補(bǔ)償值作為力矩環(huán)指令的補(bǔ)償量，通過(guò)力矩控制環(huán)路施加到電機(jī)及負(fù)載上；且由根據(jù)重力補(bǔ)償值和整定后的控制參數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)，包括：

9.一種使用了如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括：機(jī)械臂、重力計(jì)以及控制器，所述機(jī)械臂位于所述重力計(jì)上，所述控制器與所述機(jī)械臂以及所述重力計(jì)連接。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械臂上設(shè)有若干個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人伺服參數(shù)自適應(yīng)及系統(tǒng)。所述方法包括：在機(jī)械臂安裝前，通過(guò)對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)在不同負(fù)載下進(jìn)行指令調(diào)試，獲取關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整并標(biāo)定控制參數(shù)，最終將標(biāo)定結(jié)果存儲(chǔ)為關(guān)節(jié)特征信息；對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，計(jì)算臂桿的質(zhì)量、質(zhì)心和電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度動(dòng)力學(xué)參數(shù)；在運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)負(fù)載并結(jié)合姿態(tài)信息計(jì)算重力補(bǔ)償值；通過(guò)前饋數(shù)據(jù)通道，將補(bǔ)償值均勻分配至控制周期，并作為力矩環(huán)指令的補(bǔ)償量施加于電機(jī)及負(fù)載；伺服系統(tǒng)根據(jù)重力補(bǔ)償值和整定參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)。通過(guò)實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例的方法可解決現(xiàn)有技術(shù)方案在參數(shù)整定和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性方面的不足，提高伺服系統(tǒng)在多變環(huán)境下的魯棒性和性能。

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技術(shù)公布日：2025/1/6