一种机器人的关节控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种机器人的关节控制系统。具体地，该机器人具有机械臂，机械臂包含若干个关节模组和机械臂末端，每一关节模组设置有对应的编码器和驱动电机，机械臂末端设置有末端执行器和多维力传感器，该关节控制系统包括：状态反馈模块、目标输入模块以及位控制模块。从而，本申请所述的机器人的关节控制系统采用PID控制和虚拟分解控制组合的控制手段，并基于运动学模型进行动态力补偿，能在极大降低运算量的同时提高系统的带宽，进而提高机器人的控制精度。

A joint control system of robot

【技术实现步骤摘要】
一种机器人的关节控制系统
本专利技术涉及机器人控制领域，特别涉及一种机器人的关节控制系统。
技术介绍
现有机器人控制技术通常在关节进行PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential))控制，同时基于模型对重力、关节摩擦力进行补偿，这样的传统控制方法的控制带宽较低，动态性能因此受限。同时现有的大部分机器人不进行力控制。少数机器人基于关节力矩传感器进行力控制，力控制精度较差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种机器人的关节控制系统，具有更精准的关节控制和更高的控制带宽，从而实现高精度的机器人控制，满足更精细化的工业加工需求。本申请的一个实施例提供了一种机器人的关节控制系统，该机器人具有机械臂，机械臂包含若干个关节模组和机械臂末端，每一关节模组设置有对应的编码器和驱动电机，机械臂末端设置有末端执行器和多维力传感器，该关节控制系统包括：状态反馈模块，用于获取各关节模组的编码器反馈的关节位置数据；目标输入模块，用于获取外部输入的机械臂末端的末端目标位置；位控制模块，包括并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元，其中：PID控制单元用于根据机械臂末端的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第一驱动电流；虚拟分解控制单元用于根据机械臂末端的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第二驱动电流；并且，PID控制单元和虚拟分解控制单元计算得到的每个关节模组的第一驱动电流和第二驱动电流叠加后输出至该关节模组的驱动电机。可选地，位控制模块包括分别对应于每个关节的一对并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元。可选地，每个关节模组包括关节和连杆，并且虚拟分解控制单元包括：模型创建子单元，用于为每个关节模组创建运动学模型；参数设定子单元，用于设定每个关节模组的运动学模型的模型参数；力矩计算子单元，用于调用各关节模组的运动学模型、并以各关节模组的关节位置数据为输入计算各关节模组对应的力矩；电流计算子单元，用于将各关节模组对应的力矩转换为各关节模组对应的第二驱动电流。可选地，运动学模型以运动学方程和动力学方程为约束条件；其中，所述运动学方程为：其中，i∈{1,2,…,n}，ri表示任务空间，Vri为任务空间的速度，vri为任务空间的线速度，ωri为任务空间的角速度；表示与任务空间不同的坐标系；σi和代表关节i的类型，且移动关节的σi＝1，旋转关节的σi＝0，z3＝[0，0，1，0，0，0]T、z6＝[0，0，0，0,0，1]T代表关节的驱动轴；所述动力学方程为：其中，i∈{n，n-1，…，1}，*表示合力，Fri为任务空间中刚体i受到的合力，fri为任务空间中的力，mri为任务空间中的力矩；分别代表关节位置、速度和加速度向量；分别代表任务空间的位姿、速度和加速度向量；雅克比矩阵为则代表关节空间惯量矩阵，代表哥氏力和离心力矩阵，代表重力项向量；代表任务空间惯量矩阵，代表哥氏力和离心力矩阵，代表重力项向量，且为θi的估计值，为正对角矩阵；为惯性参数向量，k为惯性参数个数；分别任务空间和关节空间惯性参数的回归矩阵，且可选地，运动学方程的初始条件为基座的速度和加速度为0，即且可选地，动力学方程的初始条件为末端执行器的所受外力，即可选地，运动学模型子单元进一步确定任务空间的参考速度为以及关节空间的参考速度为可选地，参数设定子单元进一步利用确定各关节模组之间的自适应律，并利用确定的自适应律方程补偿各关节模组的动态力，其中，所述自适应律方程为：其中，Γ为正定矩阵。可选地，所述关节控制系统进一步包括导纳控制模块，用于以末端执行器与外界的接触力对末端目标位置进行偏差补偿。可选地，所述导纳控制模块进一步用于获取多维力传感器的末端受力数据、并根据末端受力数据对输入至PID控制单元和虚拟分解控制单元的末端目标位置进行补偿。由上可知，本申请所述的机器人的关节控制系统采用PID控制和虚拟分解控制组合的控制手段，并基于运动学模型进行动态力补偿，能在极大降低运算量的同时提高系统的带宽，进而提高机器人的控制精度。附图说明以下附图仅对本专利技术做示意性说明和解释，并不限定本专利技术的范围。图1为本申请一个实施例的关节控制系统的控制原理图；图2为本申请一个实施例的关节控制系统的结构示意图；图3为本申请一个实施例的导纳控制模块的控制原理图；图4为本申请一个实施例的导纳控制配合关节控制的控制原理图；图5为本申请一个实施例的导纳控制配合关节控制的结构示意图。标号说明100机器人101编码器102多维力传感器110状态反馈模块120目标输入模块130位控制模块131模型创建子单元132参数设定子单元133力矩计算子单元134电流计算子单元140导纳控制模块具体实施方式为了对专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本专利技术的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本专利技术相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本专利技术进一步详细说明。图1为本申请一个实施例的关节控制系统的控制原理图；图2为本申请一个实施例的关节控制系统的结构示意图。请参见图1，本申请的一个实施例提供了一种机器人的关节控制系统，该机器人100具有机械臂，机械臂包含若干个关节模组和机械臂末端，每一关节模组设置有对应的编码器101和驱动电机，机械臂末端设置有末端执行器和多维力传感器102，该关节控制系统包括：状态反馈模块110、目标输入模块120以及位控制模块130。其中，状态反馈模块110用于获取各关节模组的编码器101反馈的关节位置数据；目标输入模块120用于获取外部输入的机械臂末端的末端目标位置，目标输入模块120的输入数据来源可以为操作者的指令和多维力传感器102的信号；位控制模块130包括并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元，PID控制单元用于根据机械臂末端的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第一驱动电流；虚拟分解控制单元用于根据机械臂末端的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第二驱动电流；并且，PID控制单元和虚拟分解控制单元计算得到的每个关节模组的第一驱动电流和第二驱动电流叠加后输出至该关节模组的驱动电机。VDC(虚拟分解控制)是较新颖的复杂控制方法且难以调试；PID是传统的控制方法，调试方法成熟简单。本申请通过将VDC中与P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人的关节控制系统，其特征在于，该机器人具有机械臂，机械臂包含若干个关节模组和机械臂末端，每一关节模组设置有对应的编码器和驱动电机，机械臂末端设置有末端执行器和多维力传感器，该关节控制系统包括：状态反馈模块，用于获取各关节模组的编码器反馈的关节位置数据；目标输入模块，用于获取外部输入的机械臂末端的末端目标位置；位控制模块，包括并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元，其中：PID控制单元用于根据机械臂末端的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第一驱动电流；虚拟分解控制单元用于根据机械臂末端的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第二驱动电流；并且，PID控制单元和虚拟分解控制单元计算得到的每个关节模组的第一驱动电流和第二驱动电流叠加后输出至该关节模组的驱动电机。

【技术特征摘要】
1.一种机器人的关节控制系统，其特征在于，该机器人具有机械臂，机械臂包含若干个关节模组和机械臂末端，每一关节模组设置有对应的编码器和驱动电机，机械臂末端设置有末端执行器和多维力传感器，该关节控制系统包括：状态反馈模块，用于获取各关节模组的编码器反馈的关节位置数据；目标输入模块，用于获取外部输入的机械臂末端的末端目标位置；位控制模块，包括并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元，其中：PID控制单元用于根据机械臂末端的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第一驱动电流；虚拟分解控制单元用于根据机械臂末端的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第二驱动电流；并且，PID控制单元和虚拟分解控制单元计算得到的每个关节模组的第一驱动电流和第二驱动电流叠加后输出至该关节模组的驱动电机。2.根据权利要求1所述的关节控制系统，其特征在于，位控制模块包括分别对应于每个关节的一对并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元。3.根据权利要求1所述的关节控制系统，其特征在于，每个关节模组包括关节和连杆，并且虚拟分解控制单元包括：模型创建子单元，用于为每个关节模组创建运动学模型；参数设定子单元，用于设定每个关节模组的运动学模型的模型参数；力矩计算子单元，用于调用各关节模组的运动学模型、并以各关节模组的关节位置数据为输入计算各关节模组对应的力矩；电流计算子单元，用于将各关节模组对应的力矩转换为各关节模组对应的第二驱动电流。4.根据权利要求1所述的关节控制系统，其特征在于，运动学模型以运动学方程和动力学方程为约束条件；其中，所述运动学方程为：其中，i∈{1，2，…，n}，ri表示任务空间，Vri为任务空间的速...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈恺勋，刘立，白杰，骆子豪，杨立豪，
申请(专利权)人：前元运立北京机器人智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11