[发明专利]一种基于柔体动力学模型的机器人柔性力矩前馈控制方法

说明书

本发明公开了一种基于柔体动力学模型的机器人柔性力矩前馈控制方法，包括步骤：步骤1、建立机器人柔性关节的可辨识最小惯性参数模型；步骤2、周期性实时对机器人柔性关节运动过程中的各个关节运动参数进行数据采样和预处理；步骤3、将预处理后的各个关节运动参数代入所述可辨识最小惯性参数模型，并利用最小二乘估计法辨识得到柔性动力学参数，并回代计算出柔性关节下所需的力矩值；步骤4、将力矩值作为前馈量周期性发送到伺服驱动器的底层；步骤5、采用补偿的形式与电流环输出量进行叠加，实现机器人的柔性控制。本发明通过建立机器人柔性关节的动力学模型、辨识柔性关节的扭转刚度参数以及最小惯性参数来得到力矩值作为前馈量，从而提高了机器人动态响应及定位精度。

技术领域

本发明涉及应用于高速负载工业机器人的控制方法，尤其涉及一种基于柔体动力学模型的机器人柔性力矩前馈控制方法。

背景技术

随着工业机器人在3C电子行业中的普及率猛增，人们对机器人运动速度、加速度和精度的要求越来越高。具体的性能指标表现在机器人的高重复定位精度、拾料节拍时TCP最大速度、TCP最大加速度以及短搬运周期等。由于机器人结构复杂、关节高度耦合以及控制的非线性并且时变等这些因素都会给机器人带来难以避免的动态响应迟滞及振荡等问题。尤其工业机器人的关节普遍采用的是柔性特征较显著的同步传送带系统以及RV谐波减速器等元件，关节的柔性效应显著导致机械谐振，影响伺服系统的稳定性与跟踪精度。为解决这些问题，实现高速负载的机器人具有生产要求的动态控制性能备受当今国内外专家学者的关注。

依据本体结构以及控制功能的不同将机器人的控制方式分为：1)不考虑弹性变形的刚体机器人控制；2)考虑柔性因素的柔体机器人控制。第一种类型常采用的是位置控制方法；而对于第二种类型针对机器人的柔性因素常采用振动的主动控制及被动控制等方法。不少专家学者分析了关节的柔性因素给机器人的控制带来的影响，以及研究如何实现精确控制柔性关节机器人的问题。Spong采用一种将线性弹簧等效成关节柔性形式的普用性模型简化方法，同时将电机转子的转动动能加入动力学模型中。随后，利用Tomei中给出的模型分析，证明了具有弹性关节的机器人都可以通过动态反馈线性化，通过设计出一个关于全局线性稳定反馈系统，可以提高轨迹跟踪的精度。输入命令整形法是柔性连杆机器人的开环控制常用的方法之一。Ahmad提出了一种基于输入整形技术的前馈控制来抑制振动。对于机器人的非线性控制，模糊控制方法也发挥着重要的作用。由于它不需要建立精确的数学模型，只需要建立一个大数据库，数据库中包含了使用者的操作数据、经验数据、以及逻辑数据等。在对机器人进行控制中，计算机会根据判断条件做出对应较为准确的执行命令。该方法优点在于可以实时获取信息，并通过模糊推理，解决通常方法很难处理的对象，比如非线性系统、不确定性系统等。现如今严格单一的控制方法已不能满足工业上对于机器人的控制精度的要求。为保证生产质量、作业要求，专家学者们在未来的工作中都朝着柔性控制的方向展开深入研究。

发明内容

为解决机器人由于结构复杂、关节耦合以及控制的非线性时变等因素给其带来的动态响应迟滞，以及关节的柔性因素引起的机械谐振的问题，本发明改进了刚体前馈力矩补偿方法，提出了基于柔体动力学模型的柔性力矩前馈补偿的解决方法。该方法通过建立机器人柔性关节的动力学模型，辨识得到柔性关节的扭转刚度参数以及最小惯性参数，获取更为准确的柔性因素下的预设轨迹的位置、速度、加速度信息，从而计算出柔性关节下所需的力矩值，并将计算值作为前馈量，并以周期为T的形式发送到伺服驱动器的底层，实时刷新驱动器，采用补偿的形式与电流环输出量进行叠加，从而实现机器人的柔性控制，提高了动态响应以及定位精度。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于柔体动力学模型的机器人柔性力矩前馈控制方法，包括步骤：

步骤1、建立机器人柔性关节的可辨识最小惯性参数模型；

步骤2、以采样周期为T实时对机器人柔性关节运动过程中的各个关节运动参数进行数据采样和预处理；