基于加速度传感器的机器人振动抑制方法与流程
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种基于加速度传感器的机器人振动抑制方法。
背景技术：
工业机器人在工业现场发挥着越来越重要的作用。受技术的制约，工业机器人关节减速机构和连杆存在不同程度的柔性，在高速大负载的工况下，柔性表现得尤其明显。柔性容易导致振动，振动的存在不仅会降低机器人轨迹跟踪精度和定位精度，而且会降低关键零部件的使用寿命。抑制机器人的振动具有重要的经济效益和实用价值。
工业机器人的振动抑制大多从两个层面展开，一是结构优化，另一个是控制优化。结构优化通过增加结构刚度、减少结构质量来提高结构共振频率，连杆刚度可以通过拓扑优化提高，关节刚度主要取决于减速器、轴承、同步带等标准零部件，提升空间有限。控制优化主要是优化规划和控制算法，规划算法优化一般是指优化机器人运动轨迹，通过高阶平滑、合理的加减速参数可以避免激发机器人柔性振动；控制方法优化则是选择更合理的反馈参数，设计更合适的控制率来提高振动抑制效果。相比结构优化，控制优化因为适应性范围广、实现更容易，得到更多的研究和应用。
专利《一种基于振动观测器的柔性机械臂振动控制》建立柔性机械臂的数学模型，通过振动观测器获取振动信号，利用状态反馈积分控制器抑制柔性机械臂末端残余振动，该方法依赖于机械臂的数学模型，适用于柔性梁这类简单的机械臂，但很难应用于工业机器人这类模型非常复杂的对象。专利《减振控制机器人系统》采用一个单独的机器人减振控制装置，该装置接受机器人控制装置发送的动作指令和机器人上传感器采集的速度、加速度反馈信息，迭代学习获得修正后的动作指令，该方法需要单独的减振控制装置，成本较高，因为采用迭代学习的方式，所以需要多次迭代才能获取比较理想的修正值，前期调试比较麻烦。除了以上专利，不少论文采用输入整形的方法抑制系统残余振动，该方法主要对关节指令施加卷积，单纯的输入整形会导致指令时滞，对于多关节工业机器人会造成各关节指令不同步，虽然可以抑制振动，但有可能会降低运行时的轨迹精度。此外，输入成型技术起源于线性时不变系统，将其应用在非线性或时变系统时，参数难以确定，而工业机器人是一个典型的非线性时变系统，将其应用到实际工业机器人存在一定困难。
因此，现有的工业机器人振动抑制方法多少存在不足，难以应用到实际的工业机器人上。
技术实现要素：
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于加速度传感器的机器人振动抑制方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于加速度传感器的机器人振动抑制方法，包括如下步骤：
步骤s1，执行机器人轨迹预运行，包括：在机器人末端安装三轴加速度传感器，采集机器人预运行时安装位置处三个方向的振动信号；
步骤s2，根据所述步骤s1中采集的振动信号，提取所述工业机器人的振动参数；
步骤s3，根据所述步骤s2中得到的振动参数，设计输入成型器；
步骤s4，将所述输入成型器作用于所述工业机器人的运行轨迹上，以利用所述输入成型器对所述工业机器人的运行轨迹进行修正。
进一步，在所述步骤s2中，根据所述步骤s1预运行采集的振动信号，其中，所述振动信号用于表示加速度计振动值，通过带通滤波去掉高频和低频信号，然后傅里叶变化fft提取前两阶特征频率，以及根据多周期振幅衰减得到阻尼比，得到所述工业机器人的振动参数。
进一步，在所述步骤s3中，所述输入成型器为：
进一步，在所述步骤s4中，
设归一化的轨迹弧长参数为：
其中，s∈[0,1]，运动指令也参数化为{x(s),y(s),z(s)}；
取系数
sacc(τ)＝sacc(kt)＝s(t)，t∈[0,t]
假设成型器为n阶，成型后的指令变成
其中：
t'∈[0,t-tdelay]
根据本发明实施例的基于加速度传感器的机器人振动抑制方法，将输入整形应用到工业机器人的方法，解决了输入整形参数获取困难，以及输入整形时滞造成各轴运动不同步的问题，可以抑制工业机器人振动，提高轨迹和定位精度，具有以下优点：
(1)不依赖于精确的对象模型，根据加速度传感器反馈信息提取振动参数，降低了实现难度，提高了参数精度；
(2)通过轨迹预运行获取振动参数，只需运行一次，调试效率高；
(3)通过修正轨迹运行时间，避免输入成型造成的时滞，降低振动的同时不影响机器人工作效率；
(4)输入成型施加在弧长参数上，而非关节空间，可以避免各轴的不同步，从而提高轨迹精度。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据一个本发明实施例的基于加速度传感器的机器人振动抑制方法的流程图；
图2为根据另一个本发明实施例的基于加速度传感器的机器人振动抑制方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的在机器人末端安装三轴加速度传感器的示意图；
图4为根据本发明实施例的时间修正前、修正后以及输入整形后的弧长参数s(t)随时间变化率的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本发明实施例的基于加速度传感器的机器人振动抑制方法，包括如下步骤：
步骤s1，执行机器人轨迹预运行，包括：在机器人末端安装三轴加速度传感器，采集机器人预运行时安装位置处三个方向的振动信号。
具体地，工业机器人大多采用示教的方式生成运行路径，以笛卡尔空间运动为例，可以表示为{x(t),y(t),z(t)}，其中t∈[0,t]为运动时间。机器人按未经修正的示教轨迹运动，由于结构柔性的存在，容易在轨迹开始和停止的时候激发振动。本发明在机器人末端安装三轴加速度传感器(图3),采集机器人预运行时安装位置处三个方向的振动信号。预运行还可以获取机器人实际运行总时间t。
步骤s2，根据步骤s1中采集的振动信号，提取工业机器人的振动参数。
具体地，根据步骤s1预运行采集的振动信号，其中，振动信号用于表示加速度计振动值，通过带通滤波去掉高频和低频信号，然后傅里叶变化fft提取前两阶特征频率，以及根据多周期振幅衰减得到阻尼比，得到工业机器人的振动参数。
输入整形所需振动参数包括振动频率和阻尼。频率与刚度和惯量有关，随负载和机器人构型变化较大，振动抑制需要关心的前几阶频率通常在3hz～15hz范围内；阻尼变化相对较小，并且输入成型对阻尼误差远不如频率误差敏感。工业机器人是一个复杂的多体系统，关节和连杆均存在不同程度的柔性，对这样一个复杂的对象建模难度很大，即使有了准确的模型，精确的模型参数也难以获取。本专利没有根据对象模型提取频率和刚度，而是根据上一步预运行采集的加速度计振动值，首先通过带通滤波去掉高频和低频信号，然后fft提取前两阶特征频率，阻尼比根据若干个周期振幅衰减得到。
步骤s3，根据步骤s2中得到的振动参数，设计输入成型器。
在本发明的一个实施例中，输入成型器为：
具体地，有了振动参数，可以据此设计出输入成型器，本方法对成型器没有特殊要求，假设输入成型器为
步骤s4，将输入成型器作用于工业机器人的运行轨迹上，以利用输入成型器对工业机器人的运行轨迹进行修正。
具体地，如果成型器作用在关节空间，会造成各轴不同步，导致轨迹偏差。本专利将输入成型器作用在归一化的轨迹弧长上，
归一化的轨迹弧长参数为：
这样s∈[0,1]，运动指令也参数化为{x(s),y(s),z(s)}；
取系数
sacc(τ)＝sacc(kt)＝s(t)，t∈[0,t]
假设成型器为n阶，成型后的指令变成
其中：
t'∈[0,t-tdelay]
图4示出了时间修正前、修正后以及输入整形后的弧长参数s(t)随时间变化率。
按照修正后的弧长参数运动可以有效抑制机器人启停时的振动。
本发明在振动参数的获取上，特别是通过轨迹预运行一次获取振动参数，参数通过加速度传感器采集且来自实际运行，保证精度的同时降低参数获取难度。在输入成型实现方式，特别是将输入成型施加在弧长参数，而非关节空间，这样避免了各轴不同步导致的轨迹精度降低。
根据本发明实施例的基于加速度传感器的机器人振动抑制方法，将输入整形应用到工业机器人的方法，解决了输入整形参数获取困难，以及输入整形时滞造成各轴运动不同步的问题，可以抑制工业机器人振动，提高轨迹和定位精度，具有以下优点：
(1)不依赖于精确的对象模型，根据加速度传感器反馈信息提取振动参数，降低了实现难度，提高了参数精度；
(2)通过轨迹预运行获取振动参数，只需运行一次，调试效率高；
(3)通过修正轨迹运行时间，避免输入成型造成的时滞，降低振动的同时不影响机器人工作效率；
(4)输入成型施加在弧长参数上，而非关节空间，可以避免各轴的不同步，从而提高轨迹精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
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