一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统，该控制系统包括状态观测器、机器人关节摩擦模型等；状态观测器基于机器人关节的等效动力学模型构造，其输入检知的关节运转位置数据和未给与摩擦补偿的控制信号，其输出传动系统输出侧变量的估计值；机器人关节摩擦模型输入关节速度指令信号或在传动系统输出侧检知的速度信号；输出等效摩擦力估计值或等效摩擦力矩估计值。本发明专利技术还公开了一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制方法，将降阶扩张状态观测器估计出的等效扰动补偿到电机的输入信号中，对驱动关节实施扰动补偿；由摩擦模型估计的摩擦力补偿到电机的输入力矩信号中，对摩擦力实施补偿。对摩擦力实施补偿。对摩擦力实施补偿。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种机器人关节高精度运动控制方法，特别涉及一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统及方法。

技术介绍

[0002]机器人由多个驱动关节实现运动传递，由于驱动关节的刚度比连接部件低的多，其末端执行器的动态精度主要由驱动关节的输出精度决定。机器人的驱动关节一般由丝杠螺母副或减速器实现运动/力传递，传动系统的弹性、摩擦、间隙等严重影响了其输出精度。传统的半闭环控制策略以电机编码器信号构造控制闭环，只能保证电机的输出精度，而无法保证控制闭环外的输出精度，难以实现驱动关节的高精度控制。全状态反馈控制将传动系统输出侧的信息引入闭环控制中，理论上具有更好的动态输出精度。然而，由于传统的观测器无法观测扰动信息，导致全闭环控制的抗干扰能力差，容易产生较大的扰动误差。有效获得扰动信息，并对扰动施以补偿或控制成为提高全状态反馈控制抗干扰能力的关键。目前，针对扰动的影响多采用单一的基于数据或基于模型的方法予以补偿，基于数据的扰动补偿方法采用传感器或观测器得到扰动信息，系统结构简单，实时性好，但受带宽限制，通常无法获得全面的扰动信息，如低速换向时摩擦的影响；基于模型的扰动补偿方法需要建立扰动的数学模型，进而设计前馈补偿器予以消除，该类方法思路简单，硬件成本低，难以保证数学模型的完整性和准确性。机器人驱动关节的非线性环节复杂且等效扰动随机器人位型变化，采用单一的补偿策略难以保证扰动补偿效果，需要探索研究高效的复合扰动补偿方法。本专利技术将借鉴自抗扰控制思想，通过设计降阶扩张状态观测器实现低频线性扰动补偿，同时设计摩擦前馈补偿器实现低速换向时的非线性摩擦补偿，形成基于数据和模型双驱的扰动补偿策略，提出一种机器人驱动关节的自抗扰
‑
全状态反馈控制方法，实现机器人驱动关节的高精度控制。

技术实现思路

[0003]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统及方法。
[0004]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统，该控制系统包括状态观测器、机器人关节摩擦模型、速度调节器、第一比例调节器、第二比例调节器、第一至第三反相加法器、同相加法器；状态观测器，其基于机器人关节的等效动力学模型构造，其输入检知的关节运转位置数据和未给与摩擦补偿的控制信号，其输出传动系统输出侧变量的估计值；其包括第一输出端和第二输出端，其第一输出端输出速度相关变量估计值，其第二输出端输出关节受到的等效扰动变量估计值；机器人关节摩擦模型，其输入关节速度指令信号或在传动系统输出侧检知的速度信号；其输出等效摩擦力估计值或等效摩擦力矩估计值；第一反相加法器，其正极输入端输入指令信号向量，其负极输入端之一输入传动系统输出侧检知的位置信号，其负极输
入端之二与状态观测器的第一输出端相连；其输出端与第一比例调节器的输入端相连，第一比例调节器的输出端与第二反相加法器的正极输入端相连；第二反相加法器的负极输入端输入驱动关节转动的电机的输出轴检知的角速度信号；第二反相加法器的输出端与速度调节器的输入端相连，速度调节器的输出端与第三反相加法器的正极输入端相连；第三反相加法器的负极输入端与第二比例调节器的输出端相连；第二比例调节器的输入端与状态观测器的第二输出端相连；第三反相加法器的输出端分别与同相加法器的输入端之一和状态观测器的输入端之一相连；同相加法器的输入端之二与机器人关节摩擦模型的输出端相连；同相加法器的输出端输出驱动关节转动的电机转矩指令。
[0005]进一步地，状态观测器为对全阶状态观测器进行降阶处理的降阶扩张状态观测器，其第一输出端输出传动系统输出侧的速度、加速度及加加速度变量估计值。
[0006]进一步地，设：i为传动系统的传动比，iθ为关节电机的输入位置指令信号，为关节电机的输入指令信号向量；K
o
＝(k1k
2 k
3 k4)为第一比例调节器的增益矩阵，k1表示位置反馈增益，k2表示速度反馈增益，k3表示加速度反馈增益，k4表示加加速度反馈增益，G为关节受到的扰动变量，V为速度调节器的输出信号，W1为传动系统输出侧的能直接检测的位置信号，W2为传动系统输出侧的不能直接检测的速度、加速度、加加速度信号；为W2的估计值，为扰动变量G的估计值，α为反馈信号的增益系数，为通过机器人关节摩擦模型预估得到的摩擦力,为关节电机转子的速度信号；设速度调节器采用PI控制，使速度调节器的输入信号为将和W1作为降阶扩张状态观测器的输入信号，降阶扩张状态观测器的输出信号包括和使成为扰动及摩擦力综合补偿后的电机转矩指令。
[0007]进一步地，设为关节电机的输入速度指令信号，当驱动关节弹性较小时，将作为机器人关节摩擦模型的输入信号。
[0008]进一步地，设为中传动系统输出侧速度信号的估计值，当驱动关节弹性较大时，将作为机器人关节摩擦模型的输入信号。
[0009]本专利技术还提供了一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制方法，建立机器人关节的等效动力学模型，基于该等效动力学模型，利用检知的关节运转位置数据及已知的关节参数构造状态观测器，采用状态观测器得到如下变量的估计值：传动系统输出侧的速度相关变量估计值以及关节受到的等效扰动；采用以位置控制环为外环、以速度控制环为内环的双闭环全状态反馈的控制方法，在位置控制环中设置第一比例调节器，在速度控制环中设置速度调节器；将传动系统输出侧的实测位置信号以及状态观测器输出的速度相关变量估计值作为控制系统的位置控制环反馈信号，将状态观测器输出的关节受到的等效扰动估计值补偿到控制系统的速度控制环的输出信号中，对关节运转中的扰动进行补偿；同时建立机器人关节摩擦模型，对机器人关节摩擦模型的参数进行辨识，由输入的关节速度指令信号或在传动系统输出侧检知的速度信号，通过机器人关节摩擦模型估计得到等效摩擦力或等效摩擦力矩；将估计得到的等效摩擦力或等效摩擦力矩，补偿到驱动关节转动的
电机转矩指令信号中，对摩擦力给与补偿。
[0010]进一步地，状态观测器采用对全阶状态观测器进行降阶处理的降阶扩张状态观测器，其第一输出端输出传动系统输出侧的速度、加速度及加加速度变量估计值。
[0011]进一步地，利用已知的关节信息构造降阶扩张状态观测器的方法包括如下步骤：
[0012]步骤1，建立如下机器人驱动关节的等效动力学模型：
[0013][0014]式(1)中：
[0015][0016]步骤2，将式(1)转换为下式(2)：
[0017][0018]式中，I1为电机转子的转动惯量；I2为传动系统及机械系统的等效转动惯量；c1为电机转子的摩擦阻尼；c2为等效负载的摩擦阻尼；i为传动系统的传动比；k为传动系统的等效刚度；θ1为电机转子转角；θ2为传动系统输出侧的位置信号；τ1为电机的电磁力矩；τ2为等效至传动系统输出侧的负载力矩；b0为机器人驱动关节的增益系数，y为传动系统输出侧的位置，θ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统，其特征在于，该控制系统包括状态观测器、机器人关节摩擦模型、速度调节器、第一比例调节器、第二比例调节器、第一至第三反相加法器、同相加法器；状态观测器，其基于机器人关节的等效动力学模型构造，其输入检知的关节运转位置数据和未给与摩擦补偿的控制信号，其输出传动系统输出侧变量的估计值；其包括第一输出端和第二输出端，其第一输出端输出速度相关变量估计值，其第二输出端输出关节受到的等效扰动变量估计值；机器人关节摩擦模型，其输入关节速度指令信号或在传动系统输出侧检知的速度信号；其输出等效摩擦力估计值或等效摩擦力矩估计值；第一反相加法器，其正极输入端输入指令信号向量，其负极输入端之一输入传动系统输出侧检知的位置信号，其负极输入端之二与状态观测器的第一输出端相连；其输出端与第一比例调节器的输入端相连，第一比例调节器的输出端与第二反相加法器的正极输入端相连；第二反相加法器的负极输入端输入驱动关节转动的电机的输出轴检知的角速度信号；第二反相加法器的输出端与速度调节器的输入端相连，速度调节器的输出端与第三反相加法器的正极输入端相连；第三反相加法器的负极输入端与第二比例调节器的输出端相连；第二比例调节器的输入端与状态观测器的第二输出端相连；第三反相加法器的输出端分别与同相加法器的输入端之一和状态观测器的输入端之一相连；同相加法器的输入端之二与机器人关节摩擦模型的输出端相连；同相加法器的输出端输出驱动关节转动的电机转矩指令。2.根据权利要求1所述的基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统，其特征在于，状态观测器为对全阶状态观测器进行降阶处理的降阶扩张状态观测器，其第一输出端输出传动系统输出侧的速度、加速度及加加速度变量估计值。3.根据权利要求2所述的基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统，其特征在于，设：i为传动系统的传动比，iθ为关节电机的输入位置指令信号，为关节电机的输入指令信号向量；K
o
＝(k
1 k
2 k
3 k4)为第一比例调节器的增益矩阵，k1表示位置反馈增益，k2表示速度反馈增益，k3表示加速度反馈增益，k4表示加加速度反馈增益，G为关节受到的扰动变量，V为速度调节器的输出信号，W1为传动系统输出侧的能直接检测的位置信号，W2为传动系统输出侧的不能直接检测的速度、加速度、加加速度信号；为W2的估计值，为扰动变量G的估计值，α为反馈信号的增益系数，为通过机器人关节摩擦模型预估得到的摩擦力,为关节电机转子的速度信号；设速度调节器采用PI控制，使速度调节器的输入信号为将和W1作为降阶扩张状态观测器的输入信号，降阶扩张状态观测器的输出信号包括和使成为扰动及摩擦力综合补偿后的电机转矩指令。4.根据权利要求3所述的基于全状态反馈的机器人关节高精度控制系统，其特征在于，设为关节电机的输入速度指令信号，当驱动关节弹性较小时，将作为机器人关节摩擦模型的输入信号。5.根据权利要求3所述的基于全状态反馈的机器人关节高精度控制方法，其特征在于，
设为中传动系统输出侧速度信号的估计值，当驱动关节弹性较大时，将作为机器人关节摩擦模型的输入信号。6.一种基于全状态反馈的机器人关节高精度控制方法，其特征在于，建立机器人关节的等效动力学模型，基于该等效动力学模型，利用检知的关节运转位置数据及已知的关节参数构造状态观测器，采用状态观测器得到如下变量的估计值：传动系统输出侧的速度相关变量估计值以及关节受到的等效扰动；采用以位置控制环为外环、以速度控制环为内环的双闭环全状态反馈的控制方法，在位置控制环中设置第一比例调节器，在速度控制环中设置速度调节器；将传动系统输出侧的实测位置信号以及状态观测器输出的速度相关变量估计值作为控制系统的位置控制环反馈信号，将状态观测器输出的关节受到的等效扰动估计值补偿到控制系统的速度控制环的输出信号中，对关节运转中的扰动进行补偿；同时建立机器人关节摩擦模型，对机器人关节摩擦模型的参数进行辨识，由输入的关节速度指令信号或在传动系统输出侧检知的速度信号，通过机器人关节摩擦模型估计得到等效摩擦力或等效摩擦力矩；将估计得到的等效摩擦力或等效摩擦力矩，补偿到驱动关节转动的电机转矩指令信号中，对摩擦力给与补偿。7.根据权利要求6所述的基于全状态反馈的机器人关节高精度控制方法，其特征在于，状态观测器采用对全阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海涛，王岩，山显雷，黄田，肖聚亮，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：