用于工业机器人的高精度控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种用于工业机器人的高精度控制装置及方法，包括：利用安装于工业机器人底座和固定面之间的六维力‑力矩传感器测量工业机器人运行过程中的各连杆传递至基座的支反力、力矩，并对关节运动动力观测；对观测得到的线性动力学模型参数进行在线实时估计修正，得到线性模型估计关节运动动力τd,model；利用关节驱动力矩τmotor和线性模型估计关节运动动力τd,model，在线估计关节摩擦力τfriction；根据关节运动动力观测得到的参数、在线估计关节摩擦力τfriction，采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制。本发明专利技术实现了摩擦力参数与机器人质量分布特性参数解耦辨识，在线得到较为精确的机器人动力学模型，可应用于对工业机器人控制精度要求高的场景。

High precision control device and method for industrial robot

The invention provides a high-precision control device and a method for industrial robot, including: measuring the supporting forces and moments transmitted to the base by each connecting rod during the operation of industrial robot by a six-dimensional force and moment sensor installed between the base and the fixed surface of industrial robot, and observing the joint motion dynamics; The observed parameters of the linear dynamic model were corrected by on-line real-time estimation, and the linear model was obtained to estimate the joint motion dynamic_d, model; the joint motion dynamic_d, model was estimated by using the joint driving torque_motor and linear model, and the joint friction_friction was estimated on-line according to the joint motion dynamic observation parameters, the joint friction was estimated. On-line estimation of joint friction_friction, a model-based robot control algorithm is used to achieve high-precision control of industrial robots. The invention realizes the decoupling identification of friction parameters and robot mass distribution characteristics parameters, and obtains a more accurate robot dynamic model on-line, which can be applied to the scene with high control accuracy requirements for industrial robots.

【技术实现步骤摘要】
用于工业机器人的高精度控制装置及方法
本专利技术涉及工业机器人
，特别涉及一种用于工业机器人的高精度控制装置及方法。
技术介绍
基于模型的控制是实现工业机器人高精度控制的重要技术途径，但该方法实现的前提是能够获取足够精确的机器人动力学模型，包括机器人结构的质量分布特性参数，传动系统摩擦力参数等。目前获取工业机器人动力学参数的途径主要有两种：通过设计及经验参数给定标称模型参数以及机器人本体参数辨识技术辨识得到的机器人动力学参数，第一种方法存在的问题是，由于加工生产偏差的存在，实际的动力学参数与标称参数存在较大差别，应用标称参数无法准确描述实际的动力学特性。第二种方法可获取一定精度的动力学模型参数，目前应用比较多，但存在一定问题，比如参数辨识在同一组运动中进行，惯性力、科氏力、重力以及摩擦力在驱动力矩中的比重，由辨识运动特性决定，要想充分辨识各成分，需要对辨识运动进行精巧设计，此外，摩擦力受实际工况影响变化范围较大，这种离线辨识方法得到的摩擦力参数与机器人实际工作工况并不完全一致，所以以上两种方式得到的动力学模型参数都难以满足高精度的工业机器人基于模型控制的要求。部分基于模型的工业机器人控制方案中为消除动力学模型参数的不确定性，采用自适应控制方法，在线修正模型参数，具备一定效果，但存在的问题是将摩擦力和运动力参数在关节力矩测量中进行估计，由于库伦摩擦力非线性的影响，动力学参数在线辨识的收敛精度受限制。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种用于工业机器人的高精度控制装置及方法。为了实现上述目的，本专利技术的实施例提供一种用于工业机器人的高精度控制方法，包括如下步骤：步骤S1，利用安装于工业机器人底座和固定面之间的六维力-力矩传感器测量所述工业机器人运行过程中的各连杆传递至基座的支反力、力矩，并对关节运动动力观测；步骤S2，对步骤S1中观测得到的线性动力学模型参数进行在线实时估计修正，得到线性模型估计关节运动动力τd,model；步骤S3，利用关节驱动力矩τmotor和线性模型估计关节运动动力τd,model，在线估计关节摩擦力τfriction；步骤S4，根据关节运动动力观测得到的参数、在线估计关节摩擦力τfriction，采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制。进一步，在所述步骤S1中，所述六维力-力矩传感器测量所述工业机器人运行过程中的各连杆传递至基座的支反力和力矩对关节运动动力τd,measured观测，包括：其中：为线性动力学模型回归矩阵，为运动参数，θ为线性动力学参数，为测量基座支反力、力矩；mtotal为机器人总质量；为各关节运动的惯性力，为各关节运动的科氏力，G(q)为各关节运动的重力，这三项可通过中的线性动力学模型进行计算，p为连杆质量特性参数向量，g为重力加速度。进一步，在所述步骤S2中，对线性动力学模型参数进行修正：其中：θk，θk-1为线性动力学参数在线更新序列；τd,model为线性模型估计关节运动动力；Kθ为参数更新反馈系数，决定了参数估计收敛的速度与稳定性。进一步，在所述步骤S3中，在线估计关节摩擦力τfriction＝τmotor-τd,model。进一步，在所述步骤S4中，采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制，包括：其中：τffw为根据精确动力学模型计算得到的前馈力矩，为规划运动参数。τc为控制力矩，Kp，Ki，Kd为控制参数。本专利技术实施例还提出一种用于工业机器人的高精度控制装置，包括：六维力-力矩传感器，安装于工业机器人底座和固定面之间，用于测量所述工业机器人运行过程中的各连杆传递至基座的支反力、力矩，并对关节运动动力观测，并将观测得到的线性动力学模型参数发送至所述工业机器人；所述工业机器人对观测得到的线性动力学模型参数进行在线实时估计修正，得到线性模型估计关节运动动力τd,model；利用关节驱动力矩τmotor和线性模型估计关节运动动力τd,model，在线估计关节摩擦力τfriction；根据关节运动动力观测得到的参数、在线估计关节摩擦力τfriction，采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制。进一步，所述六维力-力矩传感器测量所述工业机器人运行过程中的各连杆传递至基座的支反力和力矩对关节运动动力τd,measured观测，包括：其中：为线性动力学模型回归矩阵，为运动参数，θ为线性动力学参数，为测量基座支反力、力矩；mtotal为机器人总质量；为各关节运动的惯性力，为各关节运动的科氏力，G(q)为各关节运动的重力，这三项可通过中的线性动力学模型进行计算，p为连杆质量特性参数向量，g为重力加速度。进一步，所述工业机器人对线性动力学模型参数进行修正：其中：θk，θk-1为线性动力学参数在线更新序列；τd,model为线性模型估计关节运动动力；Kθ为参数更新反馈系数，决定了参数估计收敛的速度与稳定性。进一步，所述工业机器人计算得到的所述在线估计关节摩擦力τfriction＝τmotor-τd,model。进一步，所述工业机器人采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制，包括：其中：τffw为根据精确动力学模型计算得到的前馈力矩，为规划运动参数。τc为控制力矩，Kp，Ki，Kd为控制参数。根据本专利技术实施例的用于工业机器人的高精度控制装置及方法，由通用工业机器人以及基座六维力-力矩传感器实现对包括关节摩擦力在内动力学参数进行在线实时精确估计，并应用该估计模型对工业机器人进行精确控制。该方法通过基座六维力-力矩传感器测量工业机器人运行过程中基座支反力，经算法处理后可作为关节运动动力(关节驱动力出去摩擦力的部分)的精确观测，对动力学模型中参数中的质量、一阶矩、转动惯量参数进行在线估计修正，并基于关节驱动力和修正的运动动力力矩实时估计关节摩擦力矩，并采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制。本专利技术实现了摩擦力参数与机器人质量分布特性参数解耦辨识，在线得到较为精确的机器人动力学模型，可应用于对工业机器人控制精度要求高的场景。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术实施例的用于工业机器人的高精度控制方法的流程图；图2为根据本专利技术实施例的基于基座力-力矩传感器测量及动力学在线估计的高精度控制框图；图3为根据本专利技术实施例的基于基座力-力矩传感器测量及动力学参数在线估计的高精度控制计算流程图；图4为根据本专利技术实施例的用于工业机器人的高精度控制装置的示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。本专利技术提出一种用于工业机器人的高精度控制装置及方法，由工业机器人和安装于机器人底座和固定面之间的六维力-力矩传感器测量工业机器人运行过程中各连杆传递至基座的支反力(矩)，进一步可通过动力学解算，用以估计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于工业机器人的高精度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，利用安装于工业机器人底座和固定面之间的六维力‑力矩传感器测量所述工业机器人运行过程中的各连杆传递至基座的支反力、力矩，并对关节运动动力观测；步骤S2，对步骤S1中观测得到的线性动力学模型参数进行在线实时估计修正，得到线性模型估计关节运动动力τd,model；步骤S3，利用关节驱动力矩τmotor和线性模型估计关节运动动力τd,model，在线估计关节摩擦力τfriction；步骤S4，根据关节运动动力观测得到的参数、在线估计关节摩擦力τfriction，采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制。

【技术特征摘要】
1.一种用于工业机器人的高精度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，利用安装于工业机器人底座和固定面之间的六维力-力矩传感器测量所述工业机器人运行过程中的各连杆传递至基座的支反力、力矩，并对关节运动动力观测；步骤S2，对步骤S1中观测得到的线性动力学模型参数进行在线实时估计修正，得到线性模型估计关节运动动力τd,model；步骤S3，利用关节驱动力矩τmotor和线性模型估计关节运动动力τd,model，在线估计关节摩擦力τfriction；步骤S4，根据关节运动动力观测得到的参数、在线估计关节摩擦力τfriction，采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制。2.如权利要求1所述的用于工业机器人的高精度控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述六维力-力矩传感器测量所述工业机器人运行过程中的各连杆传递至基座的支反力和力矩对关节运动动力τd,measured观测，包括：其中：为线性动力学模型回归矩阵，为运动参数，θ为线性动力学参数，为测量基座支反力、力矩；mtotal为机器人总质量；为各关节运动的惯性力，为各关节运动的科氏力，G(q)为各关节运动的重力，这三项可通过中的线性动力学模型进行计算，p为连杆质量特性参数向量，g为重力加速度。3.如权利要求1所述的用于工业机器人的高精度控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对线性动力学模型参数进行修正：其中：θk，θk-1为线性动力学参数在线更新序列；τd,model为线性模型估计关节运动动力；Kθ为参数更新反馈系数，决定了参数估计收敛的速度与稳定性。4.如权利要求1所述的用于工业机器人的高精度控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在线估计关节摩擦力τfriction＝τmotor-τd,model。5.如权利要求1所述的用于工业机器人的高精度控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中，采用基于模型的机器人控制算法实现工业机器人的高精度控制，包括：其中：τffw为根据精确动力学模型计算得到的前馈力矩，为规划运动参数。τc为控制力矩，Kp，Ki，Kd为控制参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：于文进，韩建欢，韩峰涛，张雷，汤中华，
申请(专利权)人：珞石山东智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37