考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法，属于机器人控制技术领域，工业机器人末端轨迹控制方法包括：采集工业机器人在实际运行过程中机械臂的实际末端轨迹；计算实际末端轨迹与无间隙时的预期末端轨迹之间的误差序列；根据误差序列，基于近似熵算法，确定所述实际末端轨迹与所述预期末端轨迹的近似熵；根据近似熵以及预先确定的“间隙大小

【技术实现步骤摘要】
考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，特别是涉及一种考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法及系统。

技术介绍

[0002]工业机器人在实际生产生活中占有至关重要的地位，相较人类，机器人对极端环境的适应能力更强，功能作用更丰富且专业。然而由于工艺问题等因素的影响，机器人关节会产生不断增大的间隙，将严重地影响系统的动态性能以及可靠性。因此关节间隙的问题将是未来生产高性能、高可靠性、长寿命机械系统制造生产的关键前提。
[0003]针对含间隙机械臂的运动学及动力学分析问题，众多学者已开展了卓有成效的研究。Earles和Wu将运动副间隙表示为一个无质量连杆，采用了改进的拉格朗日方法研究了含运动副间隙的刚体系统的动力学特性。Wilson研究了滑动铰间隙对曲柄滑块机构动力学特性的影响。Innocenti对含间隙转动副的空间机构，采用虚功原理对运动间隙进行灵敏度分析。Ting将含间隙运动副用间隙连杆表示，研究了由于运动副间隙造成的含间隙平面单环机构的最大定位误差。Parenti
‑
Castelli在含间隙机构运动学建模的基础上，采用虚功原理进行了机构间隙影响分析，并提出了改进的间隙影响分析方法。Flores研究了含间隙旋转铰的描述方法和计算方法，所建立的模型是基于几何描述的接触条件和连续接触碰撞力模型。并针对含间隙的平面四连杆机构进行了详细的分析。Hayasaka等针对含间隙铰接桁架结构，研究了铰接间隙对系统的影响。Moon等研究了铰接空间桁架结构振动特性，并通过实验发现铰接空间桁架结构存在混沌振动现象；Folkman等人针对铰接空间机构，考虑了重力和间隙影响，详细地分析了铰接空间结构的阻尼特性。Garc
í
a针对典型多体系统中的光滑铰间隙，提出了一种分析光滑铰间隙的方法。
[0004]然而以上方法均只考虑了固定间隙对系统的动力学以及运动学等特性的影响，尚未考虑实际工况中当间隙不断演化变大时的情形下间隙的影响以及相应的控制问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法及系统，可提高机器人末端轨迹自动控制的精确性，并节省了大量的停机检查时间。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法，所述考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法包括：
[0008]采集工业机器人在实际运行过程中机械臂的实际末端轨迹；
[0009]计算所述实际末端轨迹与无间隙时的预期末端轨迹之间的误差序列；
[0010]根据所述误差序列，基于近似熵算法，确定所述实际末端轨迹与所述预期末端轨迹的近似熵；
[0011]根据所述近似熵以及预先确定的“间隙大小
‑
近似熵值
‑
PID参数”对照表，确定对
应的PID参数；
[0012]通过PID控制器根据所述PID参数，控制所述工业机器人电机的输出力矩，进而调整所述工业机器人机械臂末端的运行轨迹。
[0013]可选地，所述工业机器人的机械臂包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂的一端与电机连接，所述第一机械臂的另一端与所述第二机械臂连接；
[0014]所述计算所述实际末端轨迹与预期末端轨迹之间的误差序列，具体包括：
[0015]以所述电机所在位置为原点建立极坐标系；
[0016]获取所述预期末端轨迹在所述极坐标系中的极径，得到第一极径集，以及所述实际末端轨迹在所述极坐标系中的极径，得到第二极径集；
[0017]根据所述第一极径集和所述第二极径集，确定误差序列。
[0018]可选地，所述第一极径集中的极径与所述第二极径集中的极径一一对应；
[0019]根据以下公式，确定误差序列：
[0020]E＝[r
10
‑
r
00
,r
11
‑
r
01
,
…
,r
1N
‑
r
0N
]；
[0021]其中，E为误差序列，r
0N
为第一极径集中的极径，r
1N
为第二极径集中与r
0N
对应的极径。
[0022]可选地，所述“间隙大小
‑
近似熵值
‑
PID参数”对照表的确定方法具体包括：
[0023]调整所述工业机器人机械臂的间隙大小；
[0024]针对每一间隙，在所述机械臂运行时，采集机械臂的实验间隙末端轨迹；
[0025]基于近似熵算法，确定所述实验间隙末端轨迹与所述预期末端轨迹的实验近似熵；
[0026]根据所述实验近似熵，调整工业机器人的PID控制器的PID参数，直至所述实验间隙末端轨迹与所述预期末端轨迹之间的误差小于误差阈值时，确定间隙大小、所述实验近似熵以及所述PID参数的对应关系；
[0027]根据间隙大小从0增大到最大间隙阈值时，间隙大小、实验近似熵以及PID参数的对应关系，确定“间隙大小
‑
近似熵值
‑
PID参数”对照表。
[0028]可选地，所述考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法还包括：
[0029]基于机械动力学原理，根据所述预期末端轨迹、第一机械臂质量、第二机械臂质量、第一机械臂杆长、第二机械臂杆长、第一机械臂转角以及第二机械臂转角，建立无间隙时工业机器人动力学模型。
[0030]可选地，所述基于机械动力学原理，根据所述预期末端轨迹、第一机械臂质量、第二机械臂质量、第一机械臂杆长、第二机械臂杆长、第一机械臂转角以及第二机械臂转角，建立无间隙时工业机器人动力学模型，具体包括：
[0031]获取所述预期末端轨迹中的末端坐标；
[0032]根据所述末端坐标、第一机械臂质量、第二机械臂质量、第一机械臂杆长、第二机械臂杆长、第一机械臂转角以及第二机械臂转角，确定系统动能和系统势能；
[0033]根据所述系统动能和系统势能，采用拉格朗日方程，确定工业机器人动力学模型。
[0034]可选地，根据以下公式，确定末端坐标：
[0035][0036]其中，(x
c
,y
c
)为末端坐标，l1为第一机械臂杆长，l2为第二机械臂杆长，θ1为第一机械臂转角，θ2为第二机械臂转角。
[0037]可选地，根据以下公式，确定系统动能：
[0038][0039]其中，E
K
为系统动能，m1为第一机械臂质量，m2为第二机械臂质量；
[0040]根据以下公式，确定系统势能：
[0041]E
P
＝m1gl1cosθ1+m2g(l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2))；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法，其特征在于，所述考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法包括：采集工业机器人在实际运行过程中机械臂的实际末端轨迹；计算所述实际末端轨迹与无间隙时的预期末端轨迹之间的误差序列；根据所述误差序列，基于近似熵算法，确定所述实际末端轨迹与所述预期末端轨迹的近似熵；根据所述近似熵以及预先确定的“间隙大小
‑
近似熵值
‑
PID参数”对照表，确定对应的PID参数；通过PID控制器根据所述PID参数，控制所述工业机器人电机的输出力矩，进而调整所述工业机器人机械臂末端的运行轨迹。2.根据权利要求1所述的考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法，其特征在于，所述工业机器人的机械臂包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂的一端与电机连接，所述第一机械臂的另一端与所述第二机械臂连接；所述计算所述实际末端轨迹与预期末端轨迹之间的误差序列，具体包括：以所述电机所在位置为原点建立极坐标系；获取所述预期末端轨迹在所述极坐标系中的极径，得到第一极径集，以及所述实际末端轨迹在所述极坐标系中的极径，得到第二极径集；根据所述第一极径集和所述第二极径集，确定误差序列。3.根据权利要求2所述的考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法，其特征在于，所述第一极径集中的极径与所述第二极径集中的极径一一对应；根据以下公式，确定误差序列：E＝[r
10
‑
r
00
,r
11
‑
r
01
,...,r
1N
‑
r
0N
]；其中，E为误差序列，r
0N
为第一极径集中的极径，r
1N
为第二极径集中与r
0N
对应的极径。4.根据权利要求1所述的考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法，其特征在于，所述“间隙大小
‑
近似熵值
‑
PID参数”对照表的确定方法具体包括：调整所述工业机器人机械臂的间隙大小；针对每一间隙，在所述机械臂运行时，采集机械臂的实验间隙末端轨迹；基于近似熵算法，确定所述实验间隙末端轨迹与所述预期末端轨迹的实验近似熵；根据所述实验近似熵，调整工业机器人的PID控制器的PID参数，直至所述实验间隙末端轨迹与所述预期末端轨迹之间的误差小于误差阈值时，确定间隙大小、所述实验近似熵以及所述PID参数的对应关系；根据间隙大小从0增大到最大间隙阈值时，间隙大小、实验近似熵以及PID参数的对应关系，确定“间隙大小
‑
近似熵值
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PID参数”对照表。5.根据权利要求2所述的考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法，其特征在于，所述考虑关节间隙演化的工业机器人末端轨迹控制方法还包括：基于机械动力学原理，根据所述预期末端轨迹、第一机械臂质量、第二机械臂质量、第一机械臂杆长、第二机械臂杆长、第一机械臂转角以及第二机械臂转角，建立无间隙时工业机器人动力学模型。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋勉，王新培，谢凌波，卢清华，何宽芳，陈勇，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：