[發明專利]一種工業機器人的力矩控制方法

有效

• 申請號: 201710321578.0
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107160389B
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發明（設計）人: 胥芳;王佳才;陳教料;張立彬;鮑官軍
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種工業機器人的力矩控制方法，其特征在于：

首先，通過辨識各關節運動學以及慣性參數建立機器人動力學模型；

然后，通過逆運動學求解得到運動到終點姿態時各關節角的位移；

最后，以關節角位移作為運動路程，采用一種正弦加加速度規劃方法進行各關節的速度加速度規劃，將速度和加速度代入動力學模型即可求解運動路徑中的控制力矩；

所述規劃方法包括以下步驟：

步驟1：工業機器人的動力學參數辨識

采用對機器人整體進行試驗的整體辨識法對機器人的動力學參數進行辨識，為了使機器人能實現任意軌跡規劃，采用周期性軌跡，每個關節的激勵軌跡是正弦和余弦函數的代數和，即有限的傅立葉級數函數，則機器人每個關節的關節位置q規劃如下：

其中q表示關節轉角，a_i、b_i表示軌跡的常系數，ω_f為軌跡的基頻，ω_fi表示第i階的頻率，t＝kT_s表示采樣時刻，k表示采樣個數，T_s表示采樣周期；

以有限的傅立葉級數函數為機器人待辨識關節的辨識激勵軌跡，機器人沿預設軌跡運動過程中，通過測電流法采集關節的驅動力矩；通過安裝在電機上的編碼器采集關節轉角，對轉角微分得到動態參數中的角速度和角加速度以最小二乘法作為辨識算法可以求解出慣性參數的值：

從而求得精確地動力學模型：其中τ為機器人的驅動力矩；向量D(q)稱為機械臂的質量矩陣；為科氏力及離心力項；G(q)為重力項；

步驟2：工業機器人運動學逆解

采用解析解法求解機器人從初始位置到末端位置各關節運動角位移，對于逆運動學求解出現多解和奇異解的問題，除了通過設定各個關節的旋轉范圍限制來去除無效解和避免奇異解的方法以外，還根據運動能量最小原則選擇消耗能量最小的逆解值作為關節的執行量，計算方法如下：計算與前一個關節差的平方和，選擇計算結果最小的一組關節位置作為下一個關節執行的位置，逆解選擇的表達式如下：

步驟3：正弦加加速度關節軌跡規劃

采用正弦加加速度規劃方法能夠對各關節軌跡進行高速、平滑的規劃，完成從起點到終點的姿態規劃；

為了能夠實現運動速度以及加速度控制的能力，對于機器人末端操作器的速度，加速度的邊界進行限制，有如下三點：

1)運動角位移：D；

2)運動學上邊界：最大角速度ω_max，最大角加速度α_max，最大角加加速度J_max；

3)運動學下邊界：

將加加速度設定為正弦函數曲線：

在運動軌跡的限制條件下，運動距離具有兩個臨界點，其分別為D_min和D_min2，在維持加加速度不變的情況下，最大速度和最大加速度都能夠達到，運動位移有一個臨界最小值，稱為D_min：

其中d_min為初速為零時加速到ω_max時的運動距離d_accinc表示加速到最大速度時的運動距離；d_accdec表示加ω速度減小到最小值時運動的距離；如果最大加速度未能夠達到但是恰好達到了最大速度，運動位移有另一個臨界值最小值，被稱為D_min2：

其中dt′為重新計算后的加速運動時間，然后根據運動邊界值的不同計算出不同階段的運動時間，通過對正弦曲線的加加速度積分得到加速度、速度以及位移的運動軌跡。

2.如權利要求1所述的工業機器人的力矩控制方法，其特征在于：所述步驟3中，如果任務要求的執行距離D大于最大加速度和最大速度同時能夠達到的最小距離D_min，D≥D_min2，那么將根據如下公式：

T_accinc表示加速到最大速度時的運動時間；T_accdec表示加ω速度減小到最小值時運動的時間；T_acc表示在加速度增加到最大值恒定階段時加速過程中運動的時間，T_ret表示在負加速度增加到最大值恒定階段時減速過程中運動的時間，T_vel表示恒速運動的時間。