一种柔性多关节机器人振动抑制方法及控制系统技术方案

本发明专利技术涉及机器人技术领域，具体公开一种柔性多关节机器人振动抑制方法，包括以下步骤：实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值；根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值；根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。本发明专利技术具有抑制机器人本体的柔性振动，提高机器人自身的轨迹跟踪精度的有益效果。

A Vibration Suppression Method and Control System for Flexible Multi-Joint Robot

The invention relates to the field of robotics, and specifically discloses a method for vibration suppression of flexible multi-joint robots, including the following steps: collecting the motion data of each joint of flexible robots in real time; according to the motion data of each joint collected, establishing the dynamic equation of rigid body, joint deformation and the dynamic equation of desired trajectory at the end of the robot, and solving the inverse problem. According to the expected damping matrix of the flexible body of the robot, the joint driving moment is optimized to obtain the optimal joint torque. According to the optimized joint driving moment, the joint moment is controlled to suppress the flexible deformation and vibration of the robot. The invention has the beneficial effect of restraining the flexible vibration of the robot body and improving the trajectory tracking accuracy of the robot itself.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性多关节机器人振动抑制方法及控制系统
本专利技术涉及机器人
，更具体地说，涉及一种柔性多关节机器人振动抑制方法及系统。
技术介绍
近年来，轻质、重载、高速及高负载自重比的智能机器人已成为时代的需求。而由于轻量化机构设计理念所产生的柔性多关节在提供高效、灵活的控制机构的同时，在运动控制中也需要考虑关节、连杆的柔性变形，对于柔性机构来说，其末端姿态是关节转动与柔性形变的共同作用的结果。由于机器人柔性而导致的本体振动，会极大地缩短机器人关键部件的寿命，降低轨迹跟踪精度。现有的振动抑制技术均以优化机器人运动轨迹的平顺性为核心，通过对关节空间位置及其导数进行柔顺性规划，这种手段虽然在低速运动环境下可以有效的降低机器人本体的振动，但在高速运动过程中由于柔性机器人不具有刚体的特性而导致振动会被加剧，除非降低运动速度，否则无法单纯通过优化规划过程来解决振动问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术中柔性多关节机器人的本体由于柔性而导致振动的缺陷，提供一种柔性多关节机器人振动抑制方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种柔性多关节机器人振动抑制方法，包括以下步骤：实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值；根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值；根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。一些实施例中，采集柔性机器人各个关节的运动数据的步骤具体为：通过柔性机器人的总控系统进行各个关节运动数据的采集。一些实施例中，根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩激励，具体步骤为：令n、nr、nf(n＝nr+nf)分别为机器人的总自由度数、刚性自由度数和柔性自由度数，则柔性机器人的动力学方程为：其中，M为n阶广义质量矩阵、D为n阶阻尼矩阵、K为n阶刚度矩阵；矩阵Q为n维列向量，是重力、哥氏力与离心力的合力；n行r列的矩阵τ用来表示关节的控制力矩；矩阵B为nf行nr列的矩阵用于表征机器人柔性关节连杆根部的弯曲斜率；通过对矩阵M、D、K进行分块处理可将动力学方程分解为：计算关节转角的期望加速度的动力学方程为：柔性机器人运动过程中会发生振动，其中刚性运动部分的不同将产生不同的柔性变形激励力，因此可通过自运动的优化得到理想的激励力,达到抑制振动的目的。定义柔性变形激励力：通过机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进一步优化机器人的动力学方程：通过上述方程求解关节力矩τ。一些实施例中，进行关节驱动力矩优化，得到最优化的关节力矩值的具体步骤为：机器人的最小关节驱动力矩可由其上限和下限来推算，令τ+∈Rnr和τ-∈Rnr分别为机器人关节驱动力矩的上限和下限，则力矩允许的中值为：则最优力矩为通过求解上述动力学方程组可以得到最优化得关节力矩激励，再另一方面，本专利技术提供一种柔性多关节机器人振动抑制控制系统，包括：数据采集模块，用于实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；力矩计算及优化模块，用于根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算并根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵优化得到所需的关节力矩值；关节力矩控制模块，用于根据力矩计算及优化模块得到的关节力矩值控制各个关节运动，从而对机器人柔性变形振动抑制。一些实施例中，所述数据采集模块包括电流闭环模块及位置闭环模块。更加地，本专利技术还提供一种柔性多关节机器人，包括上述的柔性多关节机器人振动抑制系统。本专利技术的有益效果在于：(1)、不需要依赖于外部传感器，总控系统对于机器人受力分析完全依赖于关节自身的位置、速度、加速度以及加加速度这些表征关节运动特征的数据，通过动力学方程可以解算出每一关节所受的力，与每一时刻关节驱动电机需要输出的力矩大小，无需增加传感器，成本较低；(2)、可抑制柔性多关节机器人本体的柔性振动，提高机器人自身的轨迹跟踪精度，避免由于轻质化带来的负面影响；(3)、最优化关节力矩，可以避免因关节控制力矩过大而导致的关节寿命缩短、本体损坏这些问题，同时可以避免机器人电机控制流程崩溃而误伤使用者的情况。附图说明图1为本专利技术一个实施例的柔性机器人关节坐标系框图。图2为根据本专利技术柔性关节机器人运动抑制方法的流程图。图3为根据本专利技术柔性关节机器人运动抑制控制系统一个实施例的示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，而不构成对本专利技术的限制。本专利技术的目的是提出一种柔性多关节机器人振动抑制方法，采用力矩振动抑制及关节力矩优化的方式从动力学上对机器人进行重新建模，通过抵偿机器人柔性变形、调节机器人运动姿态来解决柔性多关节机器人的本体振动问题。首先参考图1和图2，图1为本专利技术柔性机器人关节坐标系示意图。每个关节处建立XYZ坐标。下面结合图1和图2，对本专利技术柔性多关节机器人振动抑制方法进行详细描述。本专利技术柔性多关节机器人振动抑制方法包括：实时采集柔性机器人各个关节的运动数据。通过柔性机器人总控系统采集各个关节的运动数据。根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值。根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值。根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。其中，根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值。具体步骤为：令n、nr、nf(n＝nr+nf)分别为机器人的总自由度数、刚性自由度数和柔性自由度数，则柔性机器人的动力学方程可写为：上述动力学方程中，M、D、K为n阶矩阵，其各自的含义分别为广义质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵；矩阵Q为n维列向量，是重力、哥氏力与离心力的合力；n行r列的矩阵τ用来表示关节的控制力矩；矩阵B为nf行nr列的矩阵用于表征机器人柔性关节连杆根部的弯曲斜率。动力学方程中包含了柔性多关节机器人的广义的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，并结合机器人本体的重力、哥氏力和离心力，建立起关节扭矩的等量关系。通过对矩阵M、D、K进行分块处理可将动力学方程分解为通过机器人的关节电机转角的期望轨迹，即可推算其柔性变形的响应，转换可而得到各个关节的驱动力矩，即可完成各个关节控制电机所需力矩与期望轨迹的一一映射。根据机器人末端的期望轨迹，通过求解柔性机器人的动力学方程的逆动力学,计算得到所需关节力矩，可以实现对于机器人各关节控制的解耦及线性化，这就是计算力矩控制，需要同时考虑机器人的关节刚体运动及柔性变形运动。可计算关节转角的期望加速度的动力学方程为：柔性机器人运动过程中会发生振动，其中刚性运动部分的不同将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性多关节机器人振动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到控制关节所需的力矩；根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值；根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。

【技术特征摘要】
1.一种柔性多关节机器人振动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到控制关节所需的力矩；根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值；根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而对机器人柔性变形振动抑制。2.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人振动抑制方法，其特征在于，采集柔性机器人各个关节的运动数据的步骤具体为：通过柔性机器人的总控系统进行各个关节运动数据的采集。3.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人振动抑制方法，其特征在于，根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩激励，具体步骤为：令n、nr、nf(n＝nr+nf)分别为机器人的总自由度数、刚性自由度数和柔性自由度数，则柔性机器人的动力学方程为：其中，M为n阶广义质量矩阵、D为n阶阻尼矩阵、K为n阶刚度矩阵；矩阵Q为n维列向量，是包括重力、哥氏力与离心力的合力；n行r列的矩阵τ用来表示关节的控制力矩；矩阵B为nf行nr列的矩阵用于表征机器人柔性关节连杆根部的弯曲斜率；通过对矩阵M、D、K进行分块处理可将动力学方程分解为：计算关节转角的期望加速度的动力学方程为：定义柔性变形激励力：其中fe为柔性变形激励力，Mfr为质量矩阵，为刚性部件的雅克比矩阵的最小二乘广义逆，表示操作空间末端期望轨迹，为关节角速度，Zε表示冗余机器人的自运动可行解，Qf表示重力、哥氏力和离心力的合力在柔性部分的分量；通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹风山，徐方，杨奇峰，孙若怀，刘晓帆，梁亮，
申请(专利权)人：沈阳新松机器人自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21