本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法。

背景技術(shù)：

隨著人力成本的上升和工業(yè)機(jī)器人成本的降低，工業(yè)機(jī)器人正在得到迅速普及。從目前發(fā)展形勢看，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人正朝著兩個方向不斷拓展，一個是大負(fù)載大尺寸機(jī)器人；另一個是小負(fù)載高速高精度機(jī)器人。這兩個發(fā)展方向同時面臨一個問題：機(jī)器人振動。大負(fù)載會導(dǎo)致慣量的增大，大尺寸會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度的降低，這兩方面因素都會使得機(jī)器人柔性增強(qiáng)，容易產(chǎn)生振動；小負(fù)載機(jī)器人雖然往往結(jié)構(gòu)剛度較高，但面臨的也是更嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境，在高加減速的作用下，同樣容易激發(fā)振動。

與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人類似，以協(xié)作機(jī)器人為代表的新一代機(jī)器人也面臨振動問題。協(xié)作機(jī)器人往往采用模塊化結(jié)構(gòu)，其靠近末端工具的幾個關(guān)節(jié)可以視為集中質(zhì)量，導(dǎo)致較大的結(jié)構(gòu)慣量；此外，協(xié)作機(jī)器人往往在關(guān)節(jié)上安置扭矩傳感器或SEA(Serial Elastic Actuator),這類裝置都會帶來機(jī)器人柔性的增加，進(jìn)而導(dǎo)致運動時的機(jī)器人振動。

工業(yè)機(jī)器人的振動會造成運動精度的降低，零部件壽命的衰減等等問題。因此，降低工業(yè)機(jī)器人振動具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和實用價值。

國內(nèi)外關(guān)于如何降低工業(yè)機(jī)器人振動進(jìn)行了大量的研究。專利《一種基于振動觀測器的柔性機(jī)械臂振動控制方法》建立柔性臂數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了振動觀測器和狀態(tài)反饋積分控制器，采用聯(lián)合仿真驗證控制參數(shù)的有效性，此方法對于簡單的柔性臂桿可以取得不錯的效果，但是對于工業(yè)機(jī)器人這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，如何建模和獲取模型參數(shù)是一個難題，此外，機(jī)器人是一個時變的非線性系統(tǒng)，該專利中離線仿真獲取的控制器參數(shù)對于機(jī)器人是否全局有效存在疑問。專利《一種抑制柔性機(jī)械臂振動的邊界控制方法》同樣是對柔性機(jī)械臂建立數(shù)學(xué)模型，但是專利采用的建模方法只能對簡單的梁單元建模，對于復(fù)雜的多自由度機(jī)器人不適用；專利采用的邊界控制方法需要在柔性機(jī)械臂末端輸出控制力，而工業(yè)機(jī)器人大多工作在位置模式，難以采用專利所述方法。

因此，現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人振動控制方法多少存在一些缺點，具有一定的局限性，難以實際應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人上。

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降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提供一種降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法，包括如下步驟：

步驟S1，建立工業(yè)機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，

其中，扭簧采用非線性彈簧模型，摩擦力采用“庫倫+粘滯”的經(jīng)典模型：

其中，其中τ為電機(jī)扭矩，為電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移，J_m為電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，τ_f為摩擦力，r為減速比，τ_s為扭簧彈性力，d為阻尼系數(shù)，J_a為負(fù)載慣量，為臂桿角位移；

步驟S2，根據(jù)建立的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，采用離線方法辨識模型的各個動力學(xué)參數(shù)初值，其中，辨識的動力學(xué)參數(shù)包括：辨識獲取的參數(shù)包括d、k₁、k₃、F_V、F_C；

步驟S3，采用非參數(shù)頻域辨識方法對柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行在線辨識，包括：根據(jù)步驟S1中建立的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，可以得到線性化后的電機(jī)扭矩和電機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度的傳遞函數(shù)為：

機(jī)器人運行過程中，電機(jī)扭矩τ和電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度都可以從驅(qū)動器直接得到，對電機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度做差分和濾波平滑后可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以得到電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)子角加速度的頻響函數(shù)Fr,辨識問題變成根據(jù)模型初始參數(shù)，迭代尋找滿足的最優(yōu)估計參數(shù)，F(xiàn)e為動力學(xué)模型的頻響函數(shù)；

步驟S4，對柔性關(guān)節(jié)控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，包括：調(diào)整陷波器的陷波頻率和帶寬；調(diào)整伺服驅(qū)動器位置環(huán)的比例項系數(shù)。

進(jìn)一步，在所述步驟S2中，對于k₁、k₃,通過給關(guān)節(jié)施加外部靜態(tài)載荷的同時獲取變形，用最小二乘法擬合“力-變形”曲線得到，d通過對關(guān)節(jié)施加脈沖激勵，測量振幅衰減半周期得到。F_V、F_C通過電機(jī)“輸出扭矩-速度”曲線擬合得到。

進(jìn)一步，在所述步驟S4中，所述調(diào)整陷波器的陷波頻率和帶寬，包括如下步驟：

陷波器用來把運動指令中容易激發(fā)柔性振動的分量濾除，所述陷波頻率對應(yīng)所述步驟S3中頻響函數(shù)的共振頻率，并設(shè)置相應(yīng)的陷波器陷波帶寬，以避免運動激發(fā)的柔性振動。

進(jìn)一步，在所述步驟S4中，所述步驟S3中辨識出柔性關(guān)節(jié)當(dāng)前的參數(shù)后，計算柔性關(guān)節(jié)模型的零極點，通過在線調(diào)整位置環(huán)比例項的系數(shù)，在保證電機(jī)跟蹤誤差的同時減小關(guān)節(jié)振動。

根據(jù)本發(fā)明實施例的降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法，具有以下有益效果：

1、柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)建模適用范圍廣，對于機(jī)器人所有的關(guān)節(jié)都適用；

2、采用離線辨識初值+在線辨識當(dāng)前值的方式獲取機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)各個參數(shù)的準(zhǔn)確值，保證了模型的精確性；

3、根據(jù)在線辨識后的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型在線修改控制參數(shù)，保證控制效果始終處于理想狀態(tài)。

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)明一個實施例的降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法的流程圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的柔性關(guān)節(jié)模型的示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的初始模型和在線辨識模型頻響函數(shù)對比的示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的控制參數(shù)在線調(diào)整示意圖。

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)明實施例的降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法，包括如下步驟：

步驟S1，建立工業(yè)機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型。

工業(yè)機(jī)器人臂桿剛度通常較大，尤其對于小負(fù)載和協(xié)作機(jī)器人，柔性主要來自減速器、同步帶、扭矩傳感器，體現(xiàn)在關(guān)節(jié)柔性上，因此采用柔性關(guān)節(jié)模型來建立工業(yè)機(jī)器人柔性模型是一個合理的選擇。關(guān)節(jié)的柔性用一個扭轉(zhuǎn)彈簧等效，如圖3所示。

下面為工業(yè)機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型：

其中，扭簧采用非線性彈簧模型，摩擦力采用“庫倫+粘滯”的經(jīng)典模型：

其中，其中τ為電機(jī)扭矩，為電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移，J_m為電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，τ_f為摩擦力，r為減速比，τ_s為扭簧彈性力，d為阻尼系數(shù)，J_a為負(fù)載慣量，為臂桿角位移。

需要說明的是，本步驟建立的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型對于工業(yè)機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)都適用。

步驟S2，根據(jù)建立的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，需要獲取模型各項系數(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量J_m、減速比r來自電機(jī)、減速器產(chǎn)品手冊，狀態(tài)變量電機(jī)扭矩τ、電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移可以從電機(jī)驅(qū)動器獲取，采用離線方法辨識模型的各個動力學(xué)參數(shù)初值，其中，辨識的動力學(xué)參數(shù)包括：辨識獲取的參數(shù)包括d、k₁、k₃、F_V、F_C。

具體地，對于k₁、k₃,通過給關(guān)節(jié)施加外部靜態(tài)載荷的同時獲取變形，用最小二乘法擬合“力-變形”曲線得到，d通過對關(guān)節(jié)施加脈沖激勵，測量振幅衰減半周期得到。F_V、F_C通過電機(jī)“輸出扭矩-速度”曲線擬合得到。

步驟S3，工業(yè)機(jī)器人是一個復(fù)雜的時變系統(tǒng)，步驟S2中獲取的初值隨時間、環(huán)境、工況的不同都會有所改變，如果始終以離線獲取的初值作為模型參數(shù)，會影響到后續(xù)控制參數(shù)的準(zhǔn)確性。因此有必要對動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行在線辨識，辨識采用非參數(shù)頻域辨識的方法。

采用非參數(shù)頻域辨識方法對柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行在線辨識，包括：根據(jù)步驟S1中建立的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，可以得到線性化后的電機(jī)扭矩和電機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度的傳遞函數(shù)為：

機(jī)器人運行過程中，電機(jī)扭矩τ和電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度都可以從驅(qū)動器直接得到，對電機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度做差分和濾波平滑后可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子角加速度，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以得到電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)子角加速度的頻響函數(shù)Fr,辨識問題變成根據(jù)模型初始參數(shù)，迭代尋找滿足的最優(yōu)估計參數(shù)，F(xiàn)e為動力學(xué)模型的頻響函數(shù)。

圖4為初始參數(shù)(粗線)和在線辨識后參數(shù)(細(xì)線)的動力學(xué)模型頻響函數(shù)對比，可以看出模型參數(shù)有所變化。

步驟S4，對柔性關(guān)節(jié)控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，包括：調(diào)整陷波器的陷波頻率和帶寬；調(diào)整伺服驅(qū)動器位置環(huán)的比例項系數(shù)。

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人每個關(guān)節(jié)都是由一個驅(qū)動器帶動伺服電機(jī)完成閉環(huán)控制，其控制參數(shù)的好壞很大程度上決定了機(jī)器人性能的高低。對柔性關(guān)節(jié)控制參數(shù)的在線調(diào)整主要體現(xiàn)兩方面，參考圖5所示。

在本發(fā)明的一個實施例中，調(diào)整陷波器的陷波頻率和帶寬，包括如下步驟：陷波器用來把運動指令中容易激發(fā)柔性振動的分量濾除，陷波頻率對應(yīng)步驟S3中頻響函數(shù)的共振頻率，再選取合適的帶寬作為陷波器陷波帶寬，可以有效避免運動激發(fā)的柔性振動。

步驟S3中辨識出柔性關(guān)節(jié)當(dāng)前的參數(shù)后，計算柔性關(guān)節(jié)模型的零極點，通過在線調(diào)整位置環(huán)比例項的系數(shù)，在保證電機(jī)跟蹤誤差的同時減小關(guān)節(jié)振動。

具體地，現(xiàn)在的伺服驅(qū)動器大多采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制形式，位置環(huán)的比例項系數(shù)大小決定了伺服剛度。伺服剛度高，電機(jī)跟蹤誤差小，但是容易引起關(guān)節(jié)的柔性振動，步驟S3辨識出柔性關(guān)節(jié)當(dāng)前的準(zhǔn)確參數(shù)后，可以據(jù)此求得柔性關(guān)節(jié)模型的零極點。通過在線調(diào)整位置環(huán)比例項的系數(shù)，在保證電機(jī)跟蹤誤差的同時減小關(guān)節(jié)振動。

通過本發(fā)明的上述步驟，構(gòu)成了降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法，包括：柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)建模方法；離線辨識初值+在線非參數(shù)頻域辨識結(jié)合，獲取柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型準(zhǔn)確參數(shù)值；通過柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型修正陷波器和伺服驅(qū)動器參數(shù)，保證各控制參數(shù)取值合理可信。

根據(jù)本發(fā)明實施例的降低工業(yè)機(jī)器人振動的在線控制方法，具有以下有益效果：

1、柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)建模適用范圍廣，對于機(jī)器人所有的關(guān)節(jié)都適用；

2、采用離線辨識初值+在線辨識當(dāng)前值的方式獲取機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)各個參數(shù)的準(zhǔn)確值，保證了模型的精確性；

3、根據(jù)在線辨識后的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型在線修改控制參數(shù)，保證控制效果始終處于理想狀態(tài)。

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(jìn)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。