一种基于传感器的谐波驱动单元控制方法及专用实现装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于传感器的谐波驱动单元控制方法及专用实现装置。由工作条件判断逻辑实时监视谐波驱动单元的输出力矩是否与外部环境相接触：如果处于自由运动空间，启动电机编码器反馈的轨迹跟踪控制和实测信息的输出加速度反馈控制；否则，启动谐波减速器输出力矩反馈控制；其专用实现装置，在谐波减速器与负载间安装力矩传感器，谐波减速器输出端安装附加连杆，附加连杆上设有两个测量驱动装置转动加速度用的加速度传感器。它结构简单、无传动误差、传动刚性和逆向可驱动能力强。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

Sensor based harmonic drive unit control method and special implementing device

The invention relates to a sensor based harmonic drive unit control method and a special realizing device. If the output torque of the drive unit harmonic real-time monitoring logic in contact with the external environment is judged by the working conditions: if in the free movement space, control output acceleration starting motor encoder feedback tracking control and measurement of information feedback; otherwise, start the harmonic reducer output torque feedback control; the special device, speed reducer and load install a torque sensor in the harmonic, harmonic reducer output end to install additional connecting rod, connecting rod acceleration sensor is provided with an additional two driving device for measuring rotational acceleration. The utility model has the advantages of simple structure, no transmission error, transmission rigidity and reverse driving capability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机电驱动系统及其控制方法，具体是一种基于传感器的谐波驱动单元控制方法及专用实现装置。与其它减速器相比，谐波减速器以其重量小、结构紧凑、几乎无齿隙以及高传动效率等优点，特别适合工业机器人、自动化仪器设备、航空/航天等领域的需要。然而，谐波减速器也有谐波振动、周期性传动误差、输出纹波、难以逆向驱动等弱点。这些不足可以导致其负载的跟踪性能变差，特别是在高速运动和仅有电机侧传感器的情况下更是如此。归纳起来，谐波减速器的主要问题有以下三个方面(1)存在传动误差。通常情况下，经过大变比减速之后，该误差本身并不明显；但是它能够导致谐波减速器输出振动；振动的主导频率是谐波减速器输入轴转动(伺服电机转动)角频率的两倍，即振动频率依赖于谐波驱动单元的期望轨迹。如果该振动频率进入谐波驱动单元的谐振频带，将导致更加严重的谐波谐振。(2)传动刚性差。谐波减速器的柔性部件降低整个谐波驱动单元的谐振频带。低频率谐振是影响控制系统稳定性的最主要因素，它制约着控制增益的提高，也就限制了对扰动力矩的抑制作用，最终导致系统的控制精度下降。同时要求严格限制谐波减速器的最大输入转速，以避免输出振动进入谐振频带。(3)逆向可驱动能力差。大减速比以及内摩擦导致谐波驱动系统的逆向可驱动性很差，这将导致以下问题(a)难以对谐波驱动单元实施力控制；(b)难以构造出手-手示教系统；(c)对于易损坏部件及操作者构成威胁，难以构造出安全的人机合作系统。同时应该指出，很难用数学模型准确描述上述这些动力学特性；因此，几乎不可能基于模型对这些因素加以补偿。为了克服谐波驱动系统的上述问题，本专利技术提供一种无传动误、传动刚性和逆向可驱动能力强的、基于传感器的谐波驱动单元控制方法及专用实现装置，它是一种基于实测加速度和力矩信息的谐波驱动单元鲁棒控制方法，用相应的谐波驱动与力矩、加速度传感器的集成装置，以实现并验证该方法。本专利技术的技术方案是由基于电机编码器反馈的轨迹跟踪控制、基于实测信息的输出加速度反馈控制、基于实测信息的输出力矩反馈控制策略和工作条件判断逻辑四部分组成，其中工作条件判断逻辑实时监视谐波驱动单元的输出力矩，判断是否与外部环境相接触如果处于自由运动空间，则启动控制方法中的基于电机编码器反馈的轨迹跟踪控制和基于实测信息的输出加速度反馈控制，将常规的电机侧轨迹跟踪控制与输出侧的加速度反馈控制相结合，利用加速度反馈控制克服谐波驱动单元的谐波谐振及输出振动，同时抑制外扰动的影响，电机侧轨迹跟踪控制用来确保跟踪；如果负载与外界环境相接触，工作条件判断逻辑将启动谐波减速器输出力矩反馈控制，抑制谐波减速器内部摩擦及电机转子惯量的影响，增强谐波驱动单元逆向驱动的柔顺性，同时避免过大的冲击力及其可能对工件、操作者等造成的损坏；本专利技术的专用实现装置，由电机、连轴结、谐波减速器组成，其中所述电机上装有编码器，安装于机座上，其输出轴通过连轴结与谐波减速器相耦合，还包括力矩传感器、附加连杆及加速度传感器，在谐波减速器与负载之间安装一力矩传感器，在谐波减速器的输出端安装一附加连杆，附加连杆上设有两个测量驱动装置转动加速度用的加速度传感器。本专利技术控制方法的工作原理如下本专利技术的控制方法结构如附图说明图1所示，这是一种基于事件的非连续控制方法，它根据谐波减速器的谐波驱动单元的实际工作条件确定控制行为。这种控制方法的设计基础是谐波减速器在不同的工作条件下，其存在的问题是不同的。在自由空间轨迹跟踪情况下，跟踪精度是关键，其控制行为致力于抑制谐振及输出振动，同时保留谐波减速器“扰动隔离器”的特性；在接触过渡过程和力跟踪情况下，提高谐波驱动单元的逆向驱动的顺应性是关键，其控制行为则致力于抑制谐波减速器的内部摩擦及克服被放大的电机转子惯量。本专利技术具有如下优点1.无传动误差。本专利技术将常规的电机侧轨迹跟踪控制与输出侧的加速度反馈控制相结合，利用加速度反馈控制克服谐波驱动单元的谐波谐振及输出振动，同时抑制外扰动的影响，电机侧轨迹跟踪控制用来确保跟踪。加速度反馈控制对谐波驱动单元输出纹波及谐波谐振的抑制情况表明，当输入速度为18rpm时激发了明显的谐波谐振，加速度反馈对谐振的抑制效果大于50％。2.传动刚性强。本专利技术能抑制谐波减速器内部摩擦及电机转子惯量的影响，增强谐波驱动单元逆向驱动的柔顺性，同时避免过大的冲击力及其可能对工件、操作者等造成的损坏。3.逆向可驱动能力强。输出力矩反馈控制对谐波驱动单元逆向可驱动性的增强效果表明谐波驱动单元逆向驱动的顺应性越好，输出力矩反馈控制将谐波驱动单元的逆向可驱动能力提高一倍以上。4.本专利技术与目前被广泛采用的控制方法相比较，我们提出的方法在控制性能上取得了明显的改进。同时，本专利技术结构简单，通过两个线加速度传感器的简单相减并乘以一个常数，就可以消除重力加速度的影响，实现对角加速度的测量。另外，本专利技术易于工程实现。图1为本专利技术的控制方法结构图。图2为本专利技术控制方法的专用实现装置。图3-1为电机编码器反馈的轨迹跟踪控制时对三种不同速度的跟踪效果，谐波减速器输入转速为12rpm。图3-2为基于电机编码器反馈的轨迹跟踪控制和输出加速度反馈时的跟踪效果，谐波减速器输入转速为12rpm。图3-3电机编码器反馈的轨迹跟踪控制时对三种不同速度的跟踪效果，谐波减速器输入转速为18rpm。图3-4基于电机编码器反馈的轨迹跟踪控制和输出加速度反馈时的跟踪效果，谐波减速器输入转速为18rpm。图4-1为在关掉电机的驱动电源、开启抱闸的情况下，导致速度与外加力矩的关系曲线。图4-2为启动输出力矩反馈控制之后的导致速度与外加力矩的关系曲线。下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示的控制方法由四部分组成(a)基于电机编码器反馈的轨迹跟踪控制，(b)基于实测信息的输出加速度反馈控制，(c)基于实测信息的输出力矩反馈控制策略，(d)工作条件判断逻辑。其中 d负载侧期望角加速度；θd电机侧期望角加速度；τd谐波驱动单元的期望输出力矩；τn外界扰动力矩；rd条件判断参考；Ga(s)加速度反馈控制策略；Gp(s)基于编码器的跟踪控制策略；Gr(s)力矩反馈控制策略；工作条件判断逻辑实时监视谐波驱动单元的输出力矩，判断是否与外部环境相接触如果处于自由运动空间，则启动控制方法中的(a)+(b)，将常规的电机侧轨迹跟踪控制与输出侧的加速度反馈控制相结合，利用加速度反馈控制克服谐波驱动单元的谐波谐振及输出振动，同时抑制外扰动的影响，电机侧轨迹跟踪控制用来确保跟踪。如果负载与外界环境(工件、操作者等)相接触，工作条件判断逻辑将启动谐波减速器输出力矩反馈控制，其目的是抑制谐波减速器内部摩擦及电机转子惯量的影响，增强谐波驱动单元逆向驱动的柔顺性，同时避免过大的冲击力及其可能对工件、操作者等造成的损坏。如图2所示，所述控制方法的专用实现装置由电机3、连轴结4、谐波减速器5组成，其中所述电机3上装有编码器2，安装于机座1上，其输出轴通过连轴结4与谐波减速器5相耦合，其特征在于还包括力矩传感器6、附加连杆7及加速度传感器81、82，在谐波减速器5与负载之间安装一力矩传感器6，用以直接测量谐波驱动单元的输出力矩；在谐波减速器5的输出端安装一附加连杆7，附加连杆7上安装两个伺服型线加速度传感器81本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于传感器的谐波驱动单元控制方法，其特征在于：由基于电机编码器反馈的轨迹跟踪控制、基于实测信息的输出加速度反馈控制、基于实测信息的输出力矩反馈控制策略和工作条件判断逻辑四部分组成，其中工作条件判断逻辑实时监视谐波驱动单元的输出力矩，判断是否与外部环境相接触：如果处于自由运动空间，则启动控制方法中的基于电机编码器反馈的轨迹跟踪控制和基于实测信息的输出加速度反馈控制，将常规的电机侧轨迹跟踪控制与输出侧的加速度反馈控制相结合，利用加速度反馈控制克服谐波驱动单元的谐波谐振及输出振动，同时抑制外扰动的影响，电机侧轨迹跟踪控制用来确保跟踪；如果负载与外界环境相接触，工作条件判断逻辑将启动谐波减速器输出力矩反馈控制，抑制谐波减速器内部摩擦及电机转子惯量的影响，增强谐波驱动单元逆向驱动的柔顺性，同时避免过大的冲击力及其可能对工件、操作者等造成的损坏。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建达，王越超，谈大龙，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]