一种柔性机器人关节谐波减速器高频谐振抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性机器人关节谐波减速器高频谐振抑制方法，涉及伺服系统控制技术领域，能够解决谐波减速器驱动的机器人柔性关节控制中由于谐波减速器本身物理结构和装配误差引起的高频谐振和非线性传动力矩的影响而导致机械臂位置跟踪精度和力矩输出精度低的问题。本发明专利技术包括如下步骤：第一步，根据机械臂柔性关节的动力学关系构建相应的数学模型。第二步，选取合适的参数，设计谐波干扰观测器对由于谐波减速器柔性引起的高次谐波振动进行在线实时估计。第三步，将第二步得到的谐波扰动估计值与机械臂柔性关节的PD反馈控制器相结合，对系统的二次谐波干扰进行补偿和抑制，形成所述的机械臂柔性关节的谐波减速器高频谐振抑制方法。频谐振抑制方法。频谐振抑制方法。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性机器人关节谐波减速器高频谐振抑制方法


[0001]本专利技术涉及伺服系统控制
，具体涉及一种柔性机器人关节谐波减速器高频谐振抑制方法。

技术介绍

[0002]在机器人平台上，实现控制的动态解耦(Dynamic Coupling)、高精度的位置和力控制，关键因素就是精确的传递力矩。传统的纯位置控制已经不能满足目前机器人动态运动性能控制的硬件需求，因此带有精确力反馈(力传感器)的关节设计成为主流。而在人形机器人领域，对输出(力矩/质量)密度、以及一定柔性的要求，决定了驱动关节需要配备谐波减速器(Harmonic Drive)以及柔性体。
[0003]一般的柔性关节从左至右由五个部分组成。分别是：输出侧法兰、力矩传感器、谐波减速器、电机及电机驱动器。其工作原理是通过电机输出力矩，由谐波减速器放大相应减速比后，传递至关节的输出侧，而关节的实际所受力矩，通过力传感器反馈回电机驱动，从而实现关节力矩的闭环控制。
[0004]但是在谐波传动系统中，传动柔度会引起输出震荡，其中以关节转动频率2倍产生的二次谐波最为明显，会直接影响关节工作性能，特别是在利用关节输出侧力矩传感器和位置传感器的柔性关节中：
[0005](1)扰动直接被力矩传感器观测到，作为力矩控制的非期望力矩进入力矩控制环路，导致控制环路震荡，为避免震荡降低环路增益，将损失力控性能，力矩控制精度下降。
[0006](2)在位置控制中，扰动直接被位置传感器观测到，为避免震荡降低环路增益(刚度)，将损失位置控制精度，降低大负载下机械臂性能。
[0007](3)机械臂运动过程中，高频谐震导致速度、加速度等一系列状态反馈量产生相应波动，与这些状态反馈量相关的控制回路，和零力拖动等基于力控性能的功能将直接受到影响。
[0008]综上所述，机器人末端输出的力矩和位置的精度取决于关节力矩控制的精度，而谐波减速器高频谐振是实现高精度的关节力控制的重要瓶颈，所以研究如何抑制谐波减速器带来的高频谐振特别是二倍频谐振十分必要。
[0009]目前，针对谐波减速器驱动的柔性关节抗扰动控制方法，国内外专家学者的研究较少,大部分研究集中在对谐波减速器力矩传动模型的建模研究上，论文《Joint
‑
Level Control of the DLR Lightweight Robot SARA》(《DLR轻量化机器人SARA的关节级别控制》)以无源系统为基础，设计阻抗控制器，在力矩的反馈控制器中添加虚拟阻尼，以此来抑制力矩波动带来的影响，但是其对高频谐振的抑制效果有限。论文《Modeling and compensation for angular transmission error of harmonic drive gearings in high precision positioning》(《高精度位置控制中谐波减速器传动误差的建模和补偿》)通过对谐波减速器传动模型的精确建模，得到了谐波减速器中高频谐振的动力学模型，通过前馈补偿的形式抑制谐波减速器带来高频谐振，从实验结果看，抑制效果不明显，且建模
过程复杂，不具有工程实用性强的特点。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术提供了一种柔性机器人关节谐波减速器高频谐振抑制方法，能够解决谐波减速器驱动的机器人柔性关节控制中由于谐波减速器本身物理结构和装配误差引起的高频谐振和非线性传动力矩的影响而导致机械臂位置跟踪精度和力矩输出精度低的问题。
[0011]为达到上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0012]第一步，根据机械臂柔性关节的动力学关系构建相应的数学模型。
[0013]第二步，选取合适的参数，设计谐波干扰观测器对由于谐波减速器柔性引起的高次谐波振动进行在线实时估计。
[0014]第三步，将第二步得到的谐波扰动估计值与机械臂柔性关节的PD反馈控制器相结合，对系统的二次谐波干扰进行补偿和抑制，形成所述的机械臂柔性关节的谐波减速器高频谐振抑制方法。
[0015]进一步地，第一步，根据机械臂柔性关节的动力学关系建立数学模型，所构建的数学模型具体为：
[0016][0017][0018]其中M(q)，C(q)分别为柔性关节连杆侧惯量参数矩阵和柯氏力参数矩阵，g(q)为重力项参数矩阵；q为关节连杆侧的绝对位置，和分别为其二阶导数和一阶导数，对应的物理意义即为关节连杆侧的加速度和速度；τ
am
为谐波减速器输出力矩，J
m
为电机侧转动惯量，θ
m
为电机侧绝对位置，为位置的二阶导数即电机侧加速度；u
m
为电机输出力矩；
[0019]根据扰动对动力学模型的影响，添加谐波扰动力矩τ
am
到动力学模型中，且在单自由度的机械臂动力学模型中，忽略柯氏力的影响，将整体动力学关系改写为如下形式：
[0020][0021][0022]其中τ
d
为二次谐波扰动力矩；
[0023]由此可以得到一个传统的线性扰动观测器：
[0024][0025]其中为二次谐波扰动力矩的估计值，为估计的观测器状态量，为与观测器状态量有关的调节参数。
[0026]进一步地，第二步，选取合适的参数，设计谐波干扰观测器对由于谐波减速器柔性引起的高次谐波振动进行在线实时估计，具体为：
[0027]根据系统反馈量将观测器改写为二次谐波扰动非线性观测器；
[0028]定义一个辅助变量z：
[0029][0030]为待定义的状态变量，令上述式中的参数满足：
[0031][0032]由此得到辅助变量z的微分为：
[0033][0034]最后得到调整后的非线性观测器为：
[0035][0036][0037]选取合适的得到：
[0038][0039][0040]c为可调常数，且c＞0；将其带入机械臂动力学方程得到：
[0041][0042][0043][0044]其中
[0045]进一步地，第三步，具体为：
[0046]将估计得到的扰动信号与反馈控制器相结合，具体做法是将得到的扰动信号前馈到控制信号输入端，与反馈控制器中得到的系统输入相减得到最终的电机期望输入：u
fb
为反馈控制器的输出。
[0047]有益效果：
[0048]本专利技术相比传统的扰动观测器难以对机器人系统相比于传统的谐波建模法等离
线辨识方法，充分利用谐波减速器谐波振动引起的速度和力矩信号变化量设计非线性的扰动观测器估计连杆侧高频谐波振动的干扰，有效减少振动对机械臂性能的影响，提高机械臂动态性能。对比其他方案，主要有以下优点：
[0049]1、对比传统的针对谐波减速器传动模型，减少繁琐的测量与建模过程，通过在线辨识实现对谐波减速器本身物理结构导致的振动干扰的抑制。
[0050]2、该谐波振动抑制方法具有结构简单，参数量较少，数据处理难度较低，不需本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性机器人关节谐波减速器高频谐振抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，根据机械臂柔性关节的动力学关系构建相应的数学模型；第二步，选取合适的参数，设计谐波干扰观测器对由于谐波减速器柔性引起的高次谐波振动进行在线实时估计；第三步，将第二步得到的谐波扰动估计值与机械臂柔性关节的PD反馈控制器相结合，对系统的二次谐波干扰进行补偿和抑制，形成所述的机械臂柔性关节的谐波减速器高频谐振抑制方法。2.如权利要求1所述的一种柔性机器人关节谐波减速器高频谐振抑制方法，其特征在于，所述第一步，根据机械臂柔性关节的动力学关系建立数学模型，所构建的数学模型具体为：为：其中M(q)，C(q)分别为柔性关节连杆侧惯量参数矩阵和柯氏力参数矩阵，g(q)为重力项参数矩阵；q为关节连杆侧的绝对位置，和分别为其二阶导数和一阶导数，对应的物理意义即为关节连杆侧的加速度和速度；τ
am
为谐波减速器输出力矩，J
m
为电机侧转动惯量，θ
m
为电机侧绝对位置，为位置的二阶导数即电机侧加速度；u
m
为电机输出力矩；根据扰动对动力学模型的影响，添加谐波扰动力矩τ
am
到动力学模型中，且在单自由度的机械臂动力学模型中，忽略柯氏力的影响，将整体动力学关系改写为如下形式：的机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋志宏，李辉，谭嘉伟，冯甚尧，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：