一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于擺臂式履帶機(jī)器人，包括履帶本體實現(xiàn)移動驅(qū)動，通過包含2個或4個可旋轉(zhuǎn)的擺臂構(gòu)成，擺臂位置角度Θ通常需根據(jù)越過地形環(huán)境實時控制，擺臂位置控制是關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)的一種特殊應(yīng)用，作為關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)通常采用的電動驅(qū)動方案，目前典型關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，是獲取關(guān)節(jié)絕對位置Θ是實現(xiàn)精確位置控制的前提條件，關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)為通過電機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器，通過減速傳動器驅(qū)動關(guān)節(jié)運動。出于成本、安裝空間、精度需求等因素影響，該類機(jī)器人關(guān)節(jié)通常采用安裝于電機(jī)軸的增量編碼器獲取關(guān)節(jié)位置信息。該方法為非直接獲取關(guān)節(jié)絕對位置方式，需解決兩個問題:一方面是零位校準(zhǔn)，即由于增量式編碼器通過脈沖方式測量軸相對位置，因此需要零位校準(zhǔn)以獲得關(guān)節(jié)的絕對位置；另一方面是傳動誤差測量，即由于該方法是通過檢測電機(jī)軸位置，再根據(jù)理論傳動比，間接計算出控制目標(biāo)需要的關(guān)節(jié)位置，盡管電機(jī)軸位置可以通過選用高精度編碼獲得非常高的位置測量精度，但無法知道由于電機(jī)到末端關(guān)機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)所帶來的誤差，導(dǎo)致所測得的目標(biāo)位置精度并不高，而傳動機(jī)構(gòu)誤差主要是回程誤差，因此如何獲得回程誤差大小也是實現(xiàn)高精度位置測量所需解決的關(guān)鍵問題。
[0003]其中Θ是需要獲得的目標(biāo)值關(guān)節(jié)位置，Ψ是電機(jī)軸位置，假設(shè)減速傳動器的減速比為N: 1，在不考慮編碼器檢測誤差和減速傳動誤差的情況下，Θ和Ψ的關(guān)系為:θ =Ψ/N在考慮誤差影響，假設(shè)增量編碼器的角度測量精度為ΛΨ，減速傳動器回程誤差為ΛΦ，則由此帶來的關(guān)節(jié)位置誤差為:Λ Θ=ΔΨ/Ν+ΔΦ
[0004]由式2可知，當(dāng)N較大時(實際應(yīng)用中，通常>500)，由增量編碼器測量誤差帶來的關(guān)節(jié)位置誤差影響很小，而由減速傳動器帶來的回程誤差是影響關(guān)節(jié)位置精度的重要因素。因此辨識該誤差對提高目標(biāo)測量精度意義重大。
[0005]當(dāng)前最常見的解決方法是在關(guān)節(jié)軸安裝絕對位置編碼器、旋轉(zhuǎn)電位器、限位開關(guān)或紅外接近開關(guān)等輔助位置傳感器，實現(xiàn)零位校準(zhǔn)，這類方法一方面需要在關(guān)節(jié)位置安裝額外的傳感器，對要求結(jié)構(gòu)緊湊的履帶機(jī)器人而言大大降低了機(jī)構(gòu)設(shè)計的靈活性，同時在活動關(guān)節(jié)位置引入額外的傳感器會降低系統(tǒng)可靠性；另一方面這種方法無法解決減速傳動器所帶來的傳動誤差辨識問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是解決上述存在的問題，提供不僅能夠不降低結(jié)構(gòu)緊湊的履帶機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計的靈活性，同時在活動關(guān)節(jié)位置引入額外的傳感器會降低系統(tǒng)可靠性；而且解決減速傳動器所帶來的傳動誤差辨識問題的一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法。
[0007]本發(fā)明的目的是以如下方式實現(xiàn)的:一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法，包括了考慮和不考慮傳動機(jī)構(gòu)回程誤差的零位校準(zhǔn)問題的前提下，假設(shè)機(jī)器人位于足夠大的平面環(huán)境中，在完全由履帶本體支撐的情況下，履帶本體處于水平狀態(tài)，
[0008]步驟A、如果擺臂位置I Θ I <90+α?xí)r，其中α為擺臂形狀錐度，則擺臂不支撐本體，因此在勻轉(zhuǎn)速狀態(tài)，驅(qū)動關(guān)節(jié)所需力僅為克服關(guān)節(jié)傳動摩擦轉(zhuǎn)矩F ；
[0009]步驟B、當(dāng)擺臂位置I Θ I ^ 90+a時，擺臂起到支撐本體的作用，此時驅(qū)動關(guān)機(jī)不僅需要提供摩擦轉(zhuǎn)矩，還需克服本體自重引起的重力轉(zhuǎn)矩G，即關(guān)節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為F+G，由于在擺臂角度I Θ I在90°附近時，重力引起的轉(zhuǎn)矩G相對摩擦轉(zhuǎn)矩F要大很多，因此如果擺臂處于勻速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，則在I Θ =90+ α位置將會產(chǎn)生對力矩大小需求的突變，由此可用于確定擺臂絕對位置點90+α，從而有效獲得擺臂關(guān)節(jié)的零位校準(zhǔn)；
[0010]步驟C，在考慮傳動過程中的回程誤差影響，由于傳動機(jī)構(gòu)的回程誤差Λ Φ的方向始終與關(guān)節(jié)受力方向相同，因此利用正負(fù)方向不同的零位校準(zhǔn)，可獲得回程誤差大小。
[0011]上述的一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法，當(dāng)擺臂通過正向運動到達(dá)正向零位時，考慮誤差影響，電機(jī)端軸角度則算到末端角度為:θ 1=90+α+ΛΦ。
[0012]上述的一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法，其特征在于:當(dāng)擺臂通過反向運動到達(dá)反向零位時，考慮誤差影響，電機(jī)端軸角度則算到末端角度為:Θ 2=-90- α - Δ Φ。
[0013]上述的一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法，假設(shè)Θ 1、Θ 2對應(yīng)的編碼器測量值分別為β?、β2，則擺臂垂直位置零位對應(yīng)的編碼器測量值和傳動機(jī)構(gòu)回程誤差分別為:Θ 0= ( β 1+ β 2) /2 ; Λ Φ = β 1- β 2-180-2 α ；
[0014]其中β 11和β 2為通過增量編碼器測得值，α為僅與機(jī)構(gòu)形狀相關(guān)參數(shù)，可以一次性方便獲取，且同一實物固定不變。
[0015]上述的一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法，包括Α、將機(jī)器人平放在場地準(zhǔn)備:將機(jī)器人置于可以平放支撐的任意平面空間，平面傾斜度< 15° ;
[0016]B、摩擦力矩檢測:首先以不大于電機(jī)額度1/2速度，以速度模式，使擺臂在非支撐角度I Θ <90+α范圍內(nèi)連續(xù)運動10°左右角度，同時監(jiān)測電機(jī)驅(qū)動電流，以勻速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的平均電流作為克服摩擦力矩所需驅(qū)動電流IF ；
[0017]C、正向零位檢測:完成步驟A之后，保證此時擺臂仍處于非支撐角度范圍內(nèi)，切換控制模式為電流控制模式，最大速度限制在不大于1/5電機(jī)額度速度，設(shè)置驅(qū)動電流為IF，使擺臂正向運動，當(dāng)判斷速度減為0，停留大于3S后即可確定此時擺臂位置為正向參考位置90+α，記錄當(dāng)前電機(jī)端增量編碼器測得位置值Θ 1，作為正向零位參考值；
[0018]D、反向零位檢測:完成步驟B之后，其他狀態(tài)保持不變，設(shè)置驅(qū)動電流為-1F，使擺臂反向運動，當(dāng)判斷速度減為0，停留大于3S后即可確定此時擺臂位置為反向參考位置-90-α，記錄當(dāng)前電機(jī)端增量編碼器測得位置值Θ 2，作為反向零位參考值；
[0019]Ε、結(jié)果計算:根據(jù)θ 0=(β l+β 2)/2 ; Δ Φ = β 1-β 2-180-2 α分別計算擺臂零位對應(yīng)的傳感器測量值ΘO和傳動機(jī)構(gòu)回程誤差Λ。
[0020]上述的一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法，包括:Α、將機(jī)器人置于可以平放支撐的任意平面空間，平面傾斜度< 15° ;
[0021]B、正向參考位置檢測:將機(jī)器人置于可以平放支撐的任意平面空間，以速度模式運行，首先使擺臂在非支撐角度I Θ <80+α范圍內(nèi)，以1/5電機(jī)額度速度，正向旋轉(zhuǎn)，同時監(jiān)測對電機(jī)驅(qū)動電流做與速度環(huán)帶寬相當(dāng)?shù)牡屯V波后的濾波驅(qū)動電流絕對值ICF1，當(dāng)以ICFl出現(xiàn)2倍以上階躍突變作為觸發(fā)源，記錄該時刻的編碼器測量值作為參考位置值β 1，再控制擺臂反向旋轉(zhuǎn)至起始點停止；
[0022]C、正向參考位置檢測:完成步驟A之后，控制擺臂以1/5電機(jī)額度速度，反向旋轉(zhuǎn)，同時監(jiān)測對電機(jī)驅(qū)動電流做與速度環(huán)帶寬相當(dāng)?shù)牡屯V波后的濾波驅(qū)動電流絕對值ICF2，當(dāng)以ICF2出現(xiàn)2倍以上階躍突變作為觸發(fā)源，記錄該時刻的編碼器測量值作為參考位置值β 2,再控制擺臂反向旋轉(zhuǎn)至起始點停止；
[0023]D、結(jié)果計算:根據(jù)θ 0=(β l+β 2)/2 ; Δ Φ = β 1-β 2-180-2 α分別計算擺臂零位對應(yīng)的傳感器測量值ΘO和傳動機(jī)構(gòu)回程誤差Λ。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點:1、本發(fā)明根據(jù)擺臂式履帶機(jī)器人關(guān)節(jié)位置控制的最終目標(biāo)為實現(xiàn)適應(yīng)不同路面下支撐和移動需求這一本質(zhì)，充分借用標(biāo)準(zhǔn)接近水平的平面地形這一常見場景，僅需通過安裝在電機(jī)軸的增量編碼器，無需安裝任何其他位置檢測傳感器，即可實現(xiàn)擺臂關(guān)節(jié)的零位校準(zhǔn)。
[0025]2、同時采用該方法可方便辨識出傳動過程中的誤差，實現(xiàn)高精度的關(guān)節(jié)位置測量。此外該方法所定義的正負(fù)零位均為非機(jī)械限位零位，實施過程中在零位對部件無沖擊破壞風(fēng)險，具有實用性強(qiáng)，實現(xiàn)方便，可靠性高等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0026]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中
[0027]圖1是本發(fā)明正向校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明反向校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3是單擺臂履帶結(jié)構(gòu)；
[0030]附圖標(biāo)記:1、履帶本體，2、擺臂。
【具體實施方式】
:
[0031]見圖1和圖2所示，一種用于擺臂式履帶機(jī)器人零位校準(zhǔn)的誤差辨識方法，包括應(yīng)該包括了考慮和不考慮傳動機(jī)構(gòu)回程誤差的零位校準(zhǔn)問題的前提下，假設(shè)機(jī)器人位于足夠大的平面環(huán)境中，在完全由履帶本體I支撐的情況下，履帶本體I處于水平狀態(tài)，
[0032]步驟Α、如果擺臂2位置I Θ I <90+α?xí)r，其中α為擺臂2形狀錐度，則擺臂2不支撐本體，因此在勻轉(zhuǎn)速狀態(tài)，驅(qū)動關(guān)節(jié)所需力僅為克服關(guān)節(jié)傳動摩擦轉(zhuǎn)矩F ；
[0033]步驟B、當(dāng)擺臂2位置I Θ I彡90+α?xí)r，擺臂2起到支撐本體的作用，此時驅(qū)動關(guān)機(jī)不僅需要提供摩擦轉(zhuǎn)矩，還需克服本體自重引起的重力轉(zhuǎn)矩G，即關(guān)節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為F+G，由于在擺臂2角度I Θ I在90°附近時，重力引起的轉(zhuǎn)矩G相對摩擦轉(zhuǎn)矩F要大很多，因此如果擺臂2處于勻速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，則在I Θ =90+ α位置將會產(chǎn)生對力矩大小需求的突變，由此可用于確定擺臂