一种机器人关节位置控制方法与流程

1.本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种机器人关节位置控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着自动化程度的逐渐提高，机器人的应用领域从汽车、机械等行业不断向其他应用领域发展，成为了许多工业及商业场合中不可或缺的一部分。机器人关节多包含谐波减速器，谐波减速器的柔性造成位置精度下降。
3.目前虽然有些控制方法能解决这些问题，但是存在以下几方面不足：1)通过进行对关节柔性进行建模补偿，但减速器柔性建模比较困难，影响柔性补偿的效果。2)只安装电机端编码器，通过观测器进行减速器柔性补偿，观测器收敛时间过长。3)只安装减速器输出编码器，位置精度提升，控制环路带宽低。


技术实现要素：

4.本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
5.为此，本发明的目的在于提出一种机器人关节位置控制方法。
6.为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种机器人关节位置控制方法，包括如下步骤：步骤s1，建立机器人关节拉格朗日动力学方程模型，其中，所述机器人关节拉格朗日动力学方程模型为：
[0007][0008]
其中，m
m
为电机惯量，为电机端加速度，d
m
为电机端滑动摩擦系数，为电机端速度，f
m
为电机端库伦摩擦系数，τ
m
为电机端施加力矩，n为减速器减速比，k为减速器刚度，θ
m
为电机端位置，θ
l
为减速器输出端位置，为减速器输出端速度，d为减速器阻尼；
[0009]
步骤s2，在机器人的关节处安装第一编码器和第二编码器，利用所述第一编码器测量电机端位置信息θ
m
，利用第二编码器测量减速器输出端位置信息θ
l
，通过所述电机端位置信息计算电机速度
[0010]
步骤s3，对控制环路中位置环输出信号，对速度环给定信号进行滤波处理，根据关节实际运行情况调节陷波滤波器参数，采用陷波滤波器对速度环给定进行滤波处理，以减低信号谐波含量。
[0011]
进一步，根据建立的机器人关节拉格朗日动力学方程模型进行特性分析，包括：根据设置参数，求解出电机电磁转矩到电机端位置的传递函数g_m，电机电磁转矩到减速器输出端位置传递函数g_l，通过振动分析仪测试关节实际谐振频率。
[0012]
进一步，所述机器人关节采用串级pid三闭环控制，由内到外依次为电流环，速度环，位置环。
[0013]
进一步，所述位置环利用控制系统的低频特性，采用负载侧编码器闭环；所述速度
环利用控制系统高频段特性，采用电机侧进行闭环。
[0014]
进一步，所述采用陷波滤波器对速度环给定进行滤波处理，包括：
[0015]
采集速度给定信号，进行fft分析，观测谐波含量，调整滤波器陷波深度和陷波宽度，降低预设频率谐波含量；
[0016]
在调整陷波滤波器参数过程中同时采集关节运行噪音，能明显听出异于正常运行声音的噪音分量，通过调整陷波滤波器参数，噪音分量逐渐减小，当该噪音分量明显减小至不能通过人耳听到时，控制系统不发散，预设频率的信号谐波含量降低，停止调整滤波器参数。
[0017]
根据本发明实施例的机器人关节位置控制方法，在机器人关节处安装双编码器，分别测量电机端位置信息及减速器输出端位置信息，根据系统特性，位置环通过减速器输出端位置反馈闭环，速度环通过电机速度反馈闭环，提高带宽，通过陷波滤波器对速度环输入进行滤波，降低速度信号中的谐波成分。
[0018]
1)通过在机器人关节安装双编码器，采集电机端位置信息和减速器端位置信息；
[0019]
2)通过减速器位置闭环，电机速度闭环提升控制效果，充分利用两个位置反馈信息进行闭环；
[0020]
3)提升精度；
[0021]
4)通过陷波滤波器降低信号谐波含量，提升关节噪音表现。
[0022]
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
[0023]
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：
[0024]
图1为根据本发明实施例的机器人关节位置控制方法的流程图；
[0025]
图2为根据本发明实施例的机器人关节控制框图；
[0026]
图3为根据本发明实施例的传递函数g_m和g_l的bode图。
具体实施方式
[0027]
下面详细描述本发明的实施例，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。
[0028]
如图1和图2所示，本发明实施例的机器人关节位置控制方法，包括如下步骤：
[0029]
步骤s1，建立机器人关节拉格朗日动力学方程模型，其中，机器人关节拉格朗日动力学方程模型为：
[0030][0031]
其中，m
m
为电机惯量，为电机端加速度，d
m
为电机端滑动摩擦系数，为电机端速度，f
m
为电机端库伦摩擦系数，τ
m
为电机端施加力矩，n为减速器减速比，k为减速器刚度，
θ
m
为电机端位置，θ
l
为减速器输出端位置，为减速器输出端速度，d为减速器阻尼。
[0032]
具体的，根据建立的机器人关节拉格朗日动力学方程模型进行特性分析，包括：根据设置参数，求解出电机电磁转矩到电机端位置的传递函数g_m，电机电磁转矩到减速器输出端位置传递函数g_l，通过振动分析仪测试关节实际谐振频率。
[0033]
根据实际系统设置各项参数(各实际系统参数不相同，下述仅为举例)，根据设置参数，求解出电机电磁转矩到电机端位置的传递函数g_m，电机电磁转矩到减速器输出端位置传递函数g_l。
[0034]
其中，电机电磁转矩到电机端位置的传递函数g_m为：
[0035][0036]
电机电磁转矩到减速器输出端位置传递函数g_l为：
[0037][0038]
然后，画出g_m，g_l的bode图，如图3。由图3可知，由于关节柔性带来谐振，谐振频率为16.7hz，通过振动分析仪测试关节实际谐振频率为12hz，减速器输出端带不同的负载，谐振频率将发生变化。
[0039]
机器人关节采用串级pid三闭环控制，由内到外依次为电流环，速度环，位置环。
[0040]
其中，位置环带宽低，主要利用控制系统的低频特性，因此采用负载侧编码器闭环。速度环电流环带宽高，主要利用控制系统高频段特性，采用电机侧进行闭环。
[0041]
步骤s2，在机器人的关节处安装第一编码器和第二编码器，利用第一编码器测量电机端位置信息θ
m
，利用第二编码器测量减速器输出端位置信息θ
l
，通过电机端位置信息对电机端位置微分计算电机速度
[0042]
步骤s3，对控制环路中位置环输出信号，对速度环给定信号进行滤波处理，根据关节实际运行情况调节陷波滤波器参数，采用陷波滤波器对速度环给定进行滤波处理，以减低信号谐波含量。
[0043]
减速器减速比为100，减速器端编码器一圈产生131072个脉冲，电机端编码器一圈产生个131072脉冲。当电机速度为3000rpm时，电机机械频率为50hz，除以减速比，减速器输出端机械频率为0.5hz，
[0044]
位置指令更新周期为1ms，则每个更新周期，减速器端位置指令增加量为65.536个脉冲，电机端减速器端位置指令增加量为6553.6个脉冲，采用减速器位置信息闭环，相对于采用电机位置信息闭环，造成的电机位置指令阶跃幅值增大，造成速度环给定中1000hz(跟位置指令更新周期有关)谐波含量增加，关节运行过程中，产生明显的噪音，因此采用陷波滤波器对速度环给定进行滤波处理。
[0045]
在步骤s3中，采用陷波滤波器对速度环给定进行滤波处理，包括：
[0046]
采集速度给定信号，进行fft分析，观测谐波含量，调整滤波器陷波深度和陷波宽度，降低预设频率谐波含量；
[0047]
在调整陷波滤波器参数过程中同时采集关节运行噪音，能明显听出异于正常运行
声音的噪音分量，通过调整陷波滤波器参数，噪音分量逐渐减小，当该噪音分量明显减小至不能通过人耳听到时，控制系统不发散，预设频率的信号谐波含量降低，停止调整滤波器参数。
[0048]
以预设频率为1000hz进行举例说明：
[0049]
该陷波滤波器主要目的为滤除速度给定中的1000hz信号，主要从两方面确定滤波器参数。第一方面，采集速度给定信号，进行fft分析，观测1000hz谐波含量，调整滤波器陷波深度和陷波宽度，降低谐波含量。第二方面，在调整陷波滤波器参数过程中同时采集关节运行噪音，能明显听出异于正常运行声音的噪音分量，通过调整陷波滤波器参数，噪音分量逐渐减小，当该噪音分量明显减小至不能通过人耳听到时，控制系统不发散，1000hz信号谐波含量降低，停止调整滤波器参数。
[0050]
根据本发明实施例的机器人关节位置控制方法，在机器人关节处安装双编码器，分别测量电机端位置信息及减速器输出端位置信息，根据系统特性，位置环通过减速器输出端位置反馈闭环，速度环通过电机速度反馈闭环，提高带宽，通过陷波滤波器对速度环输入进行滤波，降低速度信号中的谐波成分。
[0051]
1)通过在机器人关节安装双编码器，采集电机端位置信息和减速器端位置信息；
[0052]
2)通过减速器位置闭环，电机速度闭环提升控制效果，充分利用两个位置反馈信息进行闭环；
[0053]
3)提升精度；
[0054]
4)通过陷波滤波器降低信号谐波含量，提升关节噪音表现。
[0055]
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。
[0056]
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。