本申请公开了一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，属于机器人振动抑制控制技术领域。解决现有控制系统对机器人振动抑制效果不佳的问题。本申请技术要点：根据各关节伺服电机力矩值，建立考虑关节自身转动惯量和摩擦阻尼的机器人动力学方程及基于广义动量的扰动观测器动力学方程；设定冲击检测阈值，当观测器输出高于所设置冲击检测阈值时，判定冲击产生，此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。本申请很好的抑制冲击载荷带来的机械振动，提高系统稳定性。统稳定性。统稳定性。
【技术实现步骤摘要】
一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法
[0001]本申请涉及一种机器人冲击载荷下的振动抑制方法，尤其涉及一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，属于机器人振动抑制控制
技术介绍
[0002]关节型重载出炉机器人，它是一种在恶劣工况下进行自动化作业的机械设备，其工作过程中的开眼、排渣、清炉舌等工艺动作均存在较大的冲击载荷。冲击载荷一方面容易引起机器人的材料疲劳，使本体产生较大变形或永久损坏。另一方面冲击产生的振动易引起系统的不稳定，降低生产效率。因此，研究强冲击载荷作用下的关节型重载出炉机器人系统振动抑制技术，对提高机器人运行性能具有重要意义。
[0003]关节型重载出炉机器人的运动关节由连杆与关节部件构成，采用RV减速器作为传动元件。一般控制系统都假定机器人的本体结构是刚性的，并按照刚性结构对其运动进行控制。然而，由于组成关节的元件本身结构紧凑、绝对刚度有限，关节柔性不可避免。故而，现有控制系统对机器人振动抑制效果不佳。如何研究出一种能够解决上述问题的方法，使关节型重载出炉机器人在特殊工艺需求下，既能够输出满足工艺要求的冲击力，同时又能够很好的抑制冲击载荷带来的机械振动，提高系统稳定性，已然成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
[0004]有鉴于此，本申请提供一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，以解决现有控制系统对机器人振动抑制效果不佳的问题。
[0005]本申请的技术方案是这样实现的：
[0006]方案一：一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，包括：
[0007]步骤一，实时获取机器人典型工艺过程中各关节伺服电机力矩值；
[0008]步骤二，根据采集的各关节伺服电机力矩值，建立考虑关节自身转动惯量和摩擦阻尼的机器人动力学方程及基于广义动量的扰动观测器动力学方程；
[0009]步骤三，根据观测器动力学方程，设定冲击检测阈值，当观测器输出高于所设置冲击检测阈值时，判定冲击产生，此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。
[0010]进一步地，所述步骤一中典型工艺过程具体为：开眼、拉渣、清炉舌。
[0011]进一步地，所述步骤二，具体为：
[0012]考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼，机器人动力学方程及关节电机模型描述如下：
[0013][0014]其中，q，分别为关节位置，速度，加速度；M(q)为广义惯性质量矩阵；为向心力和哥氏力项；g(q)为重力矩向量；τ，τ
ext
为驱动力矩和冲击力矩；J
m
电机转子惯量；θ电机侧位置；τ
m
电机输出力矩；τ
H
折合到电机侧的关节侧力矩；f
s
库伦摩擦系数；f
c
阻尼系数；H关节减速比；
[0015]求解得到考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼的机器人动力学方程：
[0016][0017]设总惯量：B(q)＝M(q)+H2J
m
，总摩擦阻尼：驱动力矩：τ
α
＝Hτ
m
；得到考虑电机动力学模型与摩擦阻尼的动力学方程：
[0018][0019]根据动力学模型定义广义角动量：又根据广义的动力学模型方程得到广义角动量的变化率为：
[0020][0021]其中，为向心力和哥氏力矩阵的转置矩阵；
[0022]构建基于广义角动量的扰动观测器算法：
[0023][0024]其中，为观测量及观测量一阶导数的时间函数，K
I
为比例系数，为广义角动量一阶导数的时间函数，为摩擦阻尼观测值；
[0025]当机器人无冲击发生时，τ
ext
≡0，利用电机电流获取关节力矩值，此时扰动观测器输出即是关节广义摩擦阻尼的实际估计，进行摩擦阻尼估计的具体步骤为：使机器人在无冲击的条件时完成工艺动作，记录摩擦阻尼补偿曲线数据，并在观测冲击产生时将基础摩擦阻尼从观测值中剔除；观测器动力学方程简化并做拉氏变换为：
[0026][0027]其中，s为复频率；
[0028]当比例系数K
I
趋近于无穷大时，观测值近似于等于冲击力矩大小，且每个关节的观测值为外力作用在关节上的力矩值；由于冲击外力为式中为雅可比矩阵，F
ext
为关节承受冲击外力，因此，检测获得冲击发生的位置。
[0029]进一步地，所述步骤三，具体为：
[0030]设定冲击检测阈值r
low
，r
low
为一个n维向量，其中每项为每个关节的冲击检测阈值；当时，即某一关节发生了冲击，为第i关节观测变量，为第i关节无冲击时的观测量；
[0031]通过构造动态响应优化求解器：
[0032][0033]其中，K为静态增益，Q(s)为高阶滤波器表达式，p1为时间常数的倒数，ω
n
为无阻尼自然震荡频率，为阻尼系数；
[0034]对机器人每个关节有：
[0035]其中，K
i
为第i关节变阻抗系数，Q(jω)为高阶滤波器角频域响应，为第i关节补偿加速度，为系统阻抗系数；
[0036]当设计求解器参数使得时，通过调节比例系统静态增益K，进行更改关节阻抗特性；此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。
[0037]本申请有益效果体现在：
[0038]1.本申请所提出的振动抑制方法，不需要额外增加外部传感器部件，无需增加额外成本，运动控制系统能够通过伺服控制器本身的动态参数来判断系统是否产生冲击，并对冲击产生的振动进行有效抑制。
[0039]2.本申请从考虑关节阻性的机器人动力学方程入手，建立观测器检测冲击的产生，对观测结果进行动态响应最优求解，将最优解与机器人运动学逆解叠加补偿，可抑制由于冲击载荷产生的振动，同时考虑关节本身的转动惯量和摩擦阻尼，这样的处理方法能够提高系统对冲击的检测效果，振动抑制更加准确；
[0040]3、本申请针对不同的振动强度采取最优的控制方式进行补偿，提高了系统振动抑制针对性，振动效果抑制明显。
[0041]4、本申请使关节型重载出炉机器人在特殊工艺需求下，既能够输出满足工艺要求的冲击力，同时又能够很好的抑制冲击载荷带来的机械振动，提高系统稳定性，避免了因工作冲击载荷引起的机器人零部件失效，延长了机器人的寿命，大大降低了机器故障甚至安全事故的发生率。
附图说明
[0042]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它
特征、目的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，其特征在于，包括：步骤一，实时获取机器人典型工艺过程中各关节伺服电机力矩值；步骤二，根据采集的各关节伺服电机力矩值，建立考虑关节自身转动惯量和摩擦阻尼的机器人动力学方程及基于广义动量的扰动观测器动力学方程；步骤三，根据观测器动力学方程，设定冲击检测阈值，当观测器输出高于所设置冲击检测阈值时，判定冲击产生，此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。2.根据权利要求1所述的一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，其特征在于，所述步骤一中典型工艺过程具体为：开眼、拉渣、清炉舌。3.根据权利要求2所述的一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，其特征在于，所述步骤二，具体为：考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼，机器人动力学方程及关节电机模型描述如下：其中，q，分别为关节位置，速度，加速度；M(q)为广义惯性质量矩阵；为向心力和哥氏力项；g(q)为重力矩向量；τ，τ
ext
为驱动力矩和冲击力矩；J
m
电机转子惯量；θ电机侧位置；τ
m
电机输出力矩；τ
H
折合到电机侧的关节侧力矩；f
s
库伦摩擦系数；f
c
阻尼系数；H关节减速比；求解得到考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼的机器人动力学方程：设总惯量：B(q)＝M(q)+H2J
m
，总摩擦阻尼：驱动力矩：τ
α
＝Hτ
m
；得到考虑电机动力学模型与摩擦阻尼的动力学方程：根据动力学模型定义广义角动量：又根据广义的动力学模型方程得到广义角动量的变化率为：其中，为向心力和哥氏力矩阵的转置矩阵；...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩守国，谭建勋，赵杰，刘超，宋建建，
申请(专利权)人：哈尔滨博实自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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