[發明專利]一種調節變負載機器人關節位置的控制方法及系統

有效

• 申請號: 202010186120.0
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111230889B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 黃強;于晗;陳學超;余張國;劉雅梁;黃高
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B25J9/18
• 分類號: B25J9/18
• 代理公司: 南京智造力知識產權代理有限公司 32382
• 代理人: 杜丹

本發明提供了一種調節變負載機器人關節位置的控制方法及系統，通過引入動態力補償法，結合PD調節，實現了帶有變負載關節的精確位置閉環控制。本發明解決了變負載機器人關節軌跡跟蹤時常見的穩態誤差大、跟蹤滯后等問題，有效提高了變負載機器人關節位置閉環的精度。

技術領域

本發明涉及機器人關節的控制，尤其涉及一種調節變負載機器人關節位置的控制方法及系統。

背景技術

隨著人工智能與互聯網的快速發展，智能機器人技術得到了突飛猛進的發展，智能機器人被廣泛應用于教育、工業、醫療、交通、安防、電力等諸多領域，體現出廣闊的應用場景與發展空間。機械臂作為智能機器人的重要組成部件，其能否準確地進行軌跡跟蹤直接影響著機器人的工作能力和效率。現有的要求運動能力較強的機器人通常質量分布均勻，各關節驅動的負載分散且較小。在不均勻大負載的軌跡跟蹤控制方法中，目前大多采用簡單的PD控制，或是補償了重力之后的PD控制。這兩種方法對于關節摩擦力大且各位置摩擦力分布有差異的情況，難以實現高精度的軌跡跟蹤。

目前，機械臂軌跡跟蹤的主要控制方法有PD控制、變結構控制、自適應控制、計算力矩控制。PD控制是一種經典的控制方法，其基于輸入控制系統的誤差量進行調節，算法簡單易于實現。在應用中，為使機械臂快速準確跟隨軌跡，參數P和D設置的較大，這使得機械臂關節的初始力矩較大，容易超出機械臂的承受范圍。變結構控制是一種非線性控制方法，屬于魯棒控制。這種方法不需要在線辨識，但變結構控制系統的設計會為系統帶來“抖震”。自適應控制可以用帶有未知參數的數學模型表示機械臂的數學模型并進行在線整定，但在實際應用中，非參數的不確定性加大了控制難度且跟蹤效果不佳。計算力矩法是一種前饋控制方式，可根據預期軌跡實時調整力矩輸出，但這種方法需要精確的數學模型，應用受到了限制。

發明內容

針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種調節變負載機器人關節位置的控制方法及系統，無需準確數學模型，通過力矩反饋的動態力補償法，實現了關節的位置精確控制。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的。

一種調節變負載機器人關節位置的控制系統，包括PD調節器和動態力補償單元；將關節角和期望角度之間的偏差作為PD調節器的輸入，PD調節器的輸出與動態力補償單元的輸出求和作為機器人關節的控制輸入量，進而對機器人關節位置進行調控；所述動態力補償單元的輸入是機器人關節的關節力矩和關節角；所述機器人關節包括電機和關節，將控制輸入量作為電機電流環的輸入。

一種調節變負載機器人關節位置的控制方法，包括以下步驟：

步驟1：通過關節端編碼器測量關節轉角，得到實時負載重力矩g(q)；

步驟2：通過關節力傳感器測量關節力矩，運用動態力補償法，調節動態力補償系數K_t；

步驟3：基于動態力補償系數K_t獲得PD調節量x，進而對位置誤差進行PD調節，使得關節能夠準確跟隨期望軌跡。

進一步，獲得實時負載重力矩的方法為：測量出了關節的轉角q，并根據負載質心與關節距離r和負載質量m得到實時負載重力矩：g(q)＝mgrsin(q)。

進一步，步驟2中通過測量出了關節的力矩τ，并根據實時負載重力矩g(q)進行動態力矩補償，控制率為：τd＝τ+K_t(g(q)-τ)，Kt在0～1之間調節。

進一步，根據控制率得到PD調節量：

進而對位置誤差進行PD調節，調節P、D參數值，使得關節位置跟隨準確，其中，M為負載轉動慣量，B為電機慣量，K_t為動態力補償系數，為離心力和哥氏力，為電機轉動的加速度，是關節轉角加速度，τ_f為關節摩擦力矩。

有益效果：