一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法和装置，该方法采用速度环控制器和参数自适应控制器代替传统控制系统中的速度环控制器，该参数自适应控制器与速度环控制器相连，用于对速度环控制器的控制参数进行自适应调整并反馈给该速度环控制器，使得该速度环控制器基于关节状态反馈和控制参数反馈生成电机转矩信号来驱动关节运转。本发明专利技术的方法不仅能够有效抑制柔性机械振动，还能够在参数不准确时快速调整控制参数匹配真实值，从而保障控制目标在不同运行环境下具有良好的控制效果，实现振动抑制和高速动态响应。
A Vibration Suppression Method and Device for Joint Servo System of Flexible Robot
【技术实现步骤摘要】
一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法和装置
本专利技术涉及电机控制
，具体涉及一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法和装置。
技术介绍
随着工业机器人的广泛应用，其伺服系统的控制性能要求也随之增加。机器人伺服系统在响应性、精度和稳定性上面临了极大的挑战。与传统的定负载刚性伺服系统不同，机器人关节的减速器具有明显柔性(低刚度)，由于多轴运动的耦合，机器人伺服系统的负载特性也更为复杂，因此在机器人关节伺服控制中，容易出现位置、速度振荡从而严重降低系统性能，损坏设备甚至造成工作人员伤亡。传统伺服控制系统通常包含位置环、速度环和转矩环三个控制环节，分别采用比例PD(比例微分)、PI(比例积分)和PI调节器。针对应用在柔性机器人关节伺服系统中出现的振荡问题，目前已在工程应用的方法主要是在原有的控制结构上加入低通滤波器、陷波滤波器等滤波器，通过设置合适的频率来抑制振动。这两种方法没有充分与系统模型结合，因此往往难以实现理想的振动抑制效果。加入低通滤波器往往会大幅降低系统的带宽，在一定程度上可以降低振动，但有时还会出现电机侧无振动机械臂杆缺明显存在振动的现象。陷波滤波器可以过滤掉指定频率的信号分量，设置准确的陷波频率，可以将伺服控制环内部由机械谐振特性造成的指令波动有效滤除，从而保证电机输出转矩无振动。然而工业机器人机械臂在空间内运动时，其每个关节上的等效惯量也在不停变化，导致其谐振频率也随之变化，当陷波滤波器陷波频率与谐振频率不一致时，便无法有效抑振振动，甚至导致系统不稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法和装置，能够抑制柔性机器人关节伺服振荡，提高机器人伺服控制性能，设计参数自适应算法保证机器人在多轴运动下各个关机伺服系统的振动抑制效果和伺服控制性能。本专利技术通过如下技术方案实现：本专利技术的第一方面提供了一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法，包括依次连接的位置环控制器1、速度环控制器2、转矩环控制器4和柔性机器人关节系统5；还包括参数自适应控制器3，与所述速度环控制器2相连，用于对所述速度环控制器2的控制参数进行自适应调整并反馈给速度环控制器2；所述柔性机器人关节系统5包括依次连接的电机驱动器、电机、减速器和机械臂；所述方法包括如下步骤：位置环控制器1生成速度指令信号7发送给速度控制器2；所述速度指令信号7根据位置指令信号6和柔性机器人关节系统5反馈的机械臂末端位置信号15生成；所述速度环控制器2生成转矩指令信号10发送给所述转矩环控制器4；所述转矩指令信号10根据所述位置环控制器1发送的速度指令信号、所述柔性机器人关节系统5反馈的电机位置及速度信号和机械臂末端位置及速度信号、以及所述参数自适应控制器3反馈的调整后的控制参数生成；所述转矩环控制器4生成电机驱动器控制信号11发送给所述柔性机器人关节系统5，以控制所述柔性机器人关节系统5的运动；所述电机驱动器控制信号11根据所述转矩指令信号10和所述柔性机器人关节系统5反馈的电机电流信号和电机位置信号12生成。进一步的，所述速度环控制器2生成的转矩指令信号Tr由下式计算：其中，Jm，Jl′分别为电机转动惯量和机械臂转动惯量的修订值，Ks为减速器等效刚度系数，i为减速器减速比；x1、x2、x3和x4分别为4个状态量，定义如下：其中，ωm，ωl，θm，θl分别为电机速度、机械臂末端速度、电机位置、机械臂末端位置，ωr为速度指令信号；k1、k2、k3、k4分别为对应上述状态量的极点配置系数，其中，T1和T2分别为速度环控制器的时间常数，ξ1和ξ2分别为速度环控制器的阻尼系数。进一步的，所述参数自适应控制器3调整的控制参数为机械臂转动惯量Jl。进一步的，所述机械臂转动惯量的调整包括如下步骤：在一个参数自适应控制器调节周期内，等间隔依次采样n个速度指令信号及对应的机械臂末端速度信号；所述n个速度指令信号分别经过N个误差模型滤波器处理，得到N个长度为n的数据数列；所述N个误差模型滤波器根据模型误差因子D由小到大排列；其中，N为大于2的整数，n为大于1的整数；将每个处理后的数据数列分别与对应的n个机械臂末端速度信号进行比较后累加，得到一个绝对误差累计值，N个数据数列则得到N个绝对误差累计值；选取绝对误差累计值最小的两个值并记录对应的误差模型滤波器的模型误差因子，根据预设的判断条件确定所述机械臂转动惯量的修正值。进一步的，所述误差模型滤波器的表达式为：其中，s为传递函数符号，d为误差模型因子，表示误差模型设置的机械臂转动惯量Jl与实际机械臂转动惯量的比值。本专利技术的第二方面提供了一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制装置，包括依次连接的位置环控制器1、速度环控制器2、转矩环控制器4和柔性机器人关节系统5；还包括参数自适应控制器3，与所述速度环控制器2相连，用于对所述速度环控制器2的控制参数进行自适应调整并反馈给速度环控制器2；所述速度环控制器2根据所述位置环控制器1发送的速度指令信号、所述柔性机器人关节系统5反馈的位置和速度信号以及所述参数自适应控制器3反馈的调整后的控制参数生成转矩指令信号，并将该转矩指令信号发送给所述转矩环控制器4。进一步的，所述柔性机器人关节系统5包括依次连接的电机驱动器、电机、减速器和机械臂；所述柔性机器人关节系统5反馈的位置和速度信号包括电机位置和速度信号以及机械臂末端位置和速度信号。进一步的，所述速度环控制器2生成的转矩指令信号Tr由下式计算：其中，Jm，Jl′分别为电机转动惯量和机械臂转动惯量的修订值，Ks为减速器等效刚度系数，i为减速器减速比；x1、x2、x3和x4分别为4个状态量，定义如下：其中，ωm，ωl，θm，θl分别为电机速度、机械臂末端速度、电机位置、机械臂末端位置，ωr为速度指令信号；k1、k2、k3、k4分别为对应上述4个状态量的极点配置系数，其中，T1和T2分别为速度环控制器的时间常数，ξ1和ξ2分别为速度环控制器的阻尼系数。进一步的，所述参数自适应控制器3调整的控制参数为机械臂转动惯量Jl；所述参数自适应控制器3包括N个误差模型滤波器、绝对误差累计值计算器和机械臂转动惯量调整计算器；所述N个误差模型滤波器根据模型误差因子d由小到大排列；其中，N为大于2的整数。进一步的，在一个参数自适应控制器调节周期内，等间隔依次采样n个速度指令信号及对应的机械臂末端速度信号；所述n个速度指令信号分别经过N个误差模型滤波器处理，得到N个长度为n的数据数列；n为大于1的整数；所述绝对误差累计值计算器将每个处理后的数据数列分别与对应的n个机械臂末端速度信号进行比较后累加，得到一个绝对误差累计值，N个数据数列则得到N个绝对误差累计值；所述机械臂转动惯量调整计算器选取绝对误差累计值最小的两个值并记录对应的误差模型滤波器的模型误差因子，根据预设的判断条件确定所述机械臂转动惯量的修正值；其中，所述误差模型滤波器的表达式为：其中，s为传递函数符号，d为误差模型因子，表示误差模型设置的机械臂转动惯量Jl与实际机械臂转动惯量的比值。本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：1、本专利技术提供的柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法和装置，不仅能够有效抑制柔性机械振动，并且能够在参数不准确时快速调整控制参数匹配真实本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法，其特征在于，包括依次连接的位置环控制器(1)、速度环控制器(2)、转矩环控制器(4)和柔性机器人关节系统(5)；还包括参数自适应控制器(3)，与所述速度环控制器(2)相连，用于对所述速度环控制器(2)的控制参数进行自适应调整并反馈给速度环控制器(2)；所述柔性机器人关节系统(5)包括依次连接的电机驱动器、电机、减速器和机械臂；所述方法包括如下步骤：位置环控制器(1)生成速度指令信号(7)发送给速度控制器(2)；所述速度指令信号(7)根据位置指令信号(6)和柔性机器人关节系统(5)反馈的机械臂末端位置信号(15)生成；所述速度环控制器(2)生成转矩指令信号(10)发送给所述转矩环控制器(4)；所述转矩指令信号(10)根据所述位置环控制器(1)发送的速度指令信号、所述柔性机器人关节系统(5)反馈的电机位置及速度信号和机械臂末端位置及速度信号、以及所述参数自适应控制器(3)反馈的调整后的控制参数生成；所述转矩环控制器(4)生成电机驱动器控制信号(11)发送给所述柔性机器人关节系统(5)，以控制所述柔性机器人关节系统(5)的运动；所述电机驱动器控制信号(11)根据所述转矩指令信号(10)和所述柔性机器人关节系统(5)反馈的电机电流信号和电机位置信号(12)生成。...
【技术特征摘要】
1.一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法，其特征在于，包括依次连接的位置环控制器(1)、速度环控制器(2)、转矩环控制器(4)和柔性机器人关节系统(5)；还包括参数自适应控制器(3)，与所述速度环控制器(2)相连，用于对所述速度环控制器(2)的控制参数进行自适应调整并反馈给速度环控制器(2)；所述柔性机器人关节系统(5)包括依次连接的电机驱动器、电机、减速器和机械臂；所述方法包括如下步骤：位置环控制器(1)生成速度指令信号(7)发送给速度控制器(2)；所述速度指令信号(7)根据位置指令信号(6)和柔性机器人关节系统(5)反馈的机械臂末端位置信号(15)生成；所述速度环控制器(2)生成转矩指令信号(10)发送给所述转矩环控制器(4)；所述转矩指令信号(10)根据所述位置环控制器(1)发送的速度指令信号、所述柔性机器人关节系统(5)反馈的电机位置及速度信号和机械臂末端位置及速度信号、以及所述参数自适应控制器(3)反馈的调整后的控制参数生成；所述转矩环控制器(4)生成电机驱动器控制信号(11)发送给所述柔性机器人关节系统(5)，以控制所述柔性机器人关节系统(5)的运动；所述电机驱动器控制信号(11)根据所述转矩指令信号(10)和所述柔性机器人关节系统(5)反馈的电机电流信号和电机位置信号(12)生成。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速度环控制器(2)生成的转矩指令信号Tr由下式计算：其中，Jm，Jl′分别为电机转动惯量和机械臂转动惯量的修订值，Ks为减速器等效刚度系数，i为减速器减速比；x1、x2、x3和x4分别为4个状态量，定义如下：x1＝ωl；x4＝∫(ωr-ω1)dt；其中，ωm，ωl，θm，θl分别为电机速度、机械臂末端速度、电机位置、机械臂末端位置，ωr为速度指令信号；k1、k2、k3、k4分别为对应上述状态量的极点配置系数，其中，T1和T2分别为速度环控制器的时间常数，ξ1和ξ2分别为速度环控制器的阻尼系数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参数自适应控制器(3)调整的控制参数为机械臂转动惯量Jl。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述机械臂转动惯量的调整包括如下步骤：在一个参数自适应控制器调节周期内，等间隔依次采样n个速度指令信号及对应的机械臂末端速度信号；所述n个速度指令信号分别经过N个误差模型滤波器处理，得到N个长度为n的数据数列；所述N个误差模型滤波器根据模型误差因子d由小到大排列；其中，N为大于2的整数，n为大于1的整数；将每个处理后的数据数列分别与对应的n个机械臂末端速度信号进行比较后累加，得到一个绝对误差累计值，N个数据数列则得到N个绝对误差累计值；选取绝对误差累计值最小的两个值并记录对应的误差模型滤波器的模型误差因子d，根据预设的判断逻辑确定所述机械臂转动惯量的修正值。5.根据权利要求4所述的方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖曦，黄宣睿，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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