多轴机械臂关节伺服系统的控制方法及系统技术方案

本申请提供一种多轴机械臂关节伺服系统的控制方法及系统，应用于机器人及其伺服技术领域，其中控制方法包括构建机械臂中各关节的伺服系统对应的加速度反馈闭环传递函数；从所述机械臂在工作期间容许的负载惯量的变化范围，按预设的选取策略确定各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值；根据各轴加速度增益值具有最小增益偏差的约束关系，求解出各关节的伺服系统对应的加速度反馈增益k值；将各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值及加速度反馈增益k值，用于该关节的伺服系统对应的所述加速度反馈闭环传递函数中。通过从机械臂整体结构的惯量变化角度出发，提高了机械臂负载惯量变化时伺服性能稳定性。化时伺服性能稳定性。化时伺服性能稳定性。

【技术实现步骤摘要】
多轴机械臂关节伺服系统的控制方法及系统


[0001]本申请涉及机器人及其伺服
，具体涉及一种多轴机械臂关节伺服系统的控制方法及系统。

技术介绍

[0002]多关节机械臂由多个关节伺服电机及其各自的驱动器组成，驱动器接收来自机器人控制器的运动控制指令，驱动关节伺服电机执行相应的运动。各关节伺服电机系统在机械结构上为串联状态。当机械臂末端执行器带动负载执行操作动作时，该末端关节伺服系统等效的负载惯量就变化了，相应的，也引起其他几个关节伺服系统的等效负载惯量也发生了变化。
[0003]对于关节伺服系统，当负载惯量发生变化时，为了保持原有伺服性能不变或者不下降，理论上一般需要根据变化了的负载惯量值大小相应地改变伺服控制环的控制参数，以维持伺服系统的动态响应性能。
[0004]现有技术中，虽然有很多措施解决这类问题，但实际应用中均存在各自不同制约因素。比如，利用负载惯量观测值得到当前惯量值，并据此进行控制参数的调整，但这种方法往往在低速甚至零速时无法得到准确的结果；又例如，利用转矩补偿控制策略，对因负载惯量变化引起的伺服性能变化进行一定程度的补偿，迫使因惯量变化导致的性能下降只能得到一定程度的补偿；再例如，整体伺服系统采用高增益控制环带宽，从一定程度上弥补因负载惯量变化带来的伺服性能的变化，但这种方法易引起系统振动。
[0005]还有，在实际应用中，每一关节伺服系统的负载惯量的变化值很难被实时计算或者在线测试出来，所以无法根据负载惯量变化而实时改变控制环控制参数，保持甚至提升原有每一关节伺服系统的性能就无从谈起。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本说明书实施例提供一种多轴机械臂关节伺服系统的控制方法及系统，从机械臂整体结构的惯量变化角度出发，能够解决机械臂负载惯量变化时伺服性能下降的问题。
[0007]本说明书实施例提供以下技术方案：
[0008]本说明书实施例提供一种多轴机械臂关节伺服系统的控制方法，包括：
[0009]构建机械臂中各关节的伺服系统对应的加速度反馈闭环传递函数，其中所述加速度反馈闭环传递函数为：
[0010][0011]其中，ω为速度输出；i
qref
为电流指令；R为负载惯量比，R＝J
L
/J
m
，J
m
为关节电机惯量，J
L
为关节电机负载惯量；k为加速度反馈增益；s为拉普拉斯算子；
[0012]从所述机械臂在工作期间容许的负载惯量的变化范围，按预设的选取策略确定各
关节的伺服系统对应的负载惯量比R值，其中不同关节的伺服系统对应的负载惯量比R值不相同；
[0013]根据各轴加速度增益值具有最小增益偏差的约束关系，求解出各关节的伺服系统对应的加速度反馈增益k值，其中所述约束关系为：
[0014][0015]其中，j和n为正整数，j为关节对应编号，n为机械臂的关节数量；R
j
为第j关节对应的负载惯量比，k
j
为第j关节对应的加速度反馈增益；
[0016]将各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值及加速度反馈增益k值，用于该关节的伺服系统对应的所述加速度反馈闭环传递函数中，以使所述加速度反馈闭环传递函数中速度输出ω与电流指令i
qref
之间比值的变化满足预设的伺服性能变化范围。
[0017]优选的，关节的伺服系统对应的负载惯量比R值的确定过程包括：按各关节在所述机械臂中的连接顺序，依次增大各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值，以使确定出的多个负载惯量比R值覆盖所述机械臂在工作期间容许的负载惯量的变化范围，以使确定出各关节在所述机械臂中允许的从小到大对应的负载惯量比R值，根据约束关系式，得到6组方程，解算出各关节共6个k值。
[0018]本说明书实施例还提供一种多轴机械臂关节伺服系统的控制方法，包括：
[0019]建立各关节的伺服系统对应的加速度观测器，以采用所述加速度观测器对应替代所述伺服系统中的编码器单元，其中所述加速度观测器包括位置闭环控制器、电机理论模型和电流补偿环节，所述位置闭环控制器对应输入实际伺服系统的位置命令和内部电机理论模型的位置反馈量，所述电流补偿环对应输入所述位置闭环控制器的输出和电流补偿量，其中电流补偿量为所述伺服系统中速度环输出的电流指令和电机理论模型的等效电流值之差，以在电流补偿量与位置控制器的输出叠加形成控制量对模型电机进行控制后实时计算并输出加速度估计值，所述加速度估计值经二次积分后作为所述位置反馈量；
[0020]将各关节的伺服系统对应的加速度反馈增益k值与该关节的伺服系统对应的所述加速度估计值的乘积，作为该关节的伺服系统中电流环的其中一个反馈参数，以调整所述伺服系统的控制参数，其中加速度反馈增益k值为通过本说明书中任意一项实施例所述多轴机械臂关节伺服系统的控制方法得到的k值。
[0021]优选地，所述加速度估计值乘以伺服系统的惯量值Jn反馈入所述加速度反馈器的电流环。
[0022]优选地，所述惯量值Jn选择该关节容许的系统惯量变化范围的中间值。
[0023]优选地，所述位置闭环控制器为PID控制器。
[0024]本说明书实施例还提供一种多轴机械臂关节伺服系统的控制系统，包括：
[0025]构建模块，用于构建机械臂中各关节的伺服系统对应的加速度反馈闭环传递函数，其中所述加速度反馈闭环传递函数为：
[0026][0027]其中，ω为速度输出；i
qref
为电流指令；R为负载惯量比，R＝J
L
/J
m
，J
m
为关节电机惯量，J
L
为关节电机负载惯量；k为加速度反馈增益；s为拉普拉斯算子；
[0028]选取模块，用于从所述机械臂在工作期间容许的负载惯量的变化范围，按预设的选取策略确定各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值，其中不同关节的伺服系统对应的负载惯量比R值不相同；
[0029]求解模块，用于根据各轴加速度增益值具有最小增益偏差的约束关系，求解出各关节的伺服系统对应的加速度反馈增益k值，其中所述约束关系为：
[0030][0031]其中，j和n为正整数，j为关节对应编号，n为机械臂的关节数量；R
j
为第j关节对应的负载惯量比，k
j
为第j关节对应的加速度反馈增益；
[0032]反馈传递模块，用于将各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值及加速度反馈增益k值，用于该关节的伺服系统对应的所述加速度反馈闭环传递函数中，以使所述加速度反馈闭环传递函数中速度输出ω与电流指令i
qref
之间比值的变化满足预设的伺服性能变化范围。
[0033]本说明书实施例还提供一种多轴机械臂关节伺服系统的控制系统，包括：
[0034]观测器模块，用于建立各关节的伺服系统对应的加速度观测器，以采用所述加速度观测器对应替代所述伺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多轴机械臂关节伺服系统的控制方法，其特征在于，包括：构建机械臂中各关节的伺服系统对应的加速度反馈闭环传递函数，其中所述加速度反馈闭环传递函数为：其中，ω为速度输出；i
qref
为电流指令；R为负载惯量比，R＝J
L
/J
m
，J
m
为关节电机惯量，J
L
为关节电机负载惯量；k为加速度反馈增益；s为拉普拉斯算子；从所述机械臂在工作期间容许的负载惯量的变化范围，按预设的选取策略确定各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值，其中不同关节的伺服系统对应的负载惯量比R值不相同；根据各轴加速度增益值具有最小增益偏差的约束关系，求解出各关节的伺服系统对应的加速度反馈增益k值，其中所述约束关系为：其中，j和n为正整数，j为关节对应编号，n为机械臂的关节数量；R
j
为第j关节对应的负载惯量比，k
j
为第j关节对应的加速度反馈增益；将各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值及加速度反馈增益k值，用于该关节的伺服系统对应的所述加速度反馈闭环传递函数中，以使所述加速度反馈闭环传递函数中速度输出ω与电流指令i
qref
之间比值的变化满足预设的伺服性能变化范围。2.根据权利要求1所述的多轴机械臂关节伺服系统的控制方法，其特征在于，关节的伺服系统对应的负载惯量比R值的确定过程包括：按各关节在所述机械臂中的连接顺序，依次增大各关节的伺服系统对应的负载惯量比R值，以使确定出的多个负载惯量比R值覆盖所述机械臂在工作期间容许的负载惯量的变化范围。3.一种多轴机械臂关节伺服系统的控制方法，其特征在于，包括：建立各关节的伺服系统对应的加速度观测器，以采用所述加速度观测器对应替代所述伺服系统中的编码器单元，其中所述加速度观测器包括位置闭环控制器、电机理论模型和电流补偿环节，所述位置闭环控制器对应输入所述伺服系统的位置命令和内部电机理论模型的位置反馈量，所述电流补偿环对应输入所述位置闭环控制器的输出和电流补偿量，其中电流补偿量为所述伺服系统中速度环输出的电流指令和电机理论模型的等效电流值之差，以在电流补偿量与位置控制器的输出叠加形成控制量对模型电机进行控制后实时计算并输出加速度估计值，所述加速度估计值经二次积分后作为所述位置反馈量；将各关节的伺服系统对应的加速度反馈增益k值与该关节的伺服系统对应的所述加速度估计值的乘积，作为该关节的伺服系统中电流环的其中一个反馈参数，以调整所述伺服系统的控制参数，其中加速度反馈增益k值为通过如权利要求1
‑
2中任意一项所述多轴机械臂关节伺服系统的控制方法得到的k值。4.根据权利要求3所述的多轴机械臂关节伺服系统的控制方法，其特征在于，所述加速度估计值乘以伺服系统的惯量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建政，韦鲲，董易，李亮华，李方保，
申请(专利权)人：上海飒智智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：