CN108908338B - 基于zvd整形器的机器人末端抖动抑制方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法及其***；其中，基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法，包括以下步骤；S1，得到位置指令；S2，判断末端抖动功能是否开启；如果是开启，则进入下步骤，如果没有开启，则进入S8；S3，判断单次振动抑制是否开启；如果是开启，则进入下步骤，如果没有开启，则进入S6；S4，测出第一振动频率和第一阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；S5，通过计算得到整形位置信息，并输出；S6，测出第二振动频率和第二阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；S7，通过计算得到整形位置信息，并输出；S8，结束。本发明针对机器人普遍存在的末端抖动，起到很好的抑制效果，减少了定位时间，提高了效率。

Description

基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法及其***

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，更具体地说是指基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法及其***。

背景技术

在中国，机器人的数目呈指数增长，近三年来，其年增长率达30％左右，到2017年，机器人的销售数量估计是15万台；未来将有越来越多的中国机器人供应商进入市场，外资和中国本土机器人供应商之间的竞争将会越来越激烈，未来中国市场机器人的增长潜力巨大。

目前，机器人控制技术普遍存在由于末端抖动导致不精准的问题，而这种问题正是机器人发展的关键技术，许多企业也需要迫切解决这项问题，市场需求大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法及其***。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法，包括以下步骤；

S1，得到位置指令；

S2，判断末端抖动功能是否开启；如果是开启，则进入下步骤，如果没有开启，则进入S8；

S3，判断单次振动抑制是否开启；如果是开启，则进入下步骤，如果没有开启，则进入S6；

S4，测出第一振动频率和第一阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；

S5，通过计算得到整形位置信息，并输出；

S6，测出第二振动频率和第二阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；

S7，通过计算得到整形位置信息，并输出；

S8，结束。

其进一步技术方案为：所述S1中，位置指令是通过根据位置环的控制周期62.5us得到。

其进一步技术方案为：所述S1还包括，位置指令通过ZVD整形器输出，位置环P调节以及位置前馈输出给定速度，进行速度环以及电流环的PI调节，以控制电机的运转。

其进一步技术方案为：所述S4包括：

S41，根据虚拟示波器位置反馈波形，得出第一振动频率和第一阻尼比；

S42，根据第一振动频率和第一阻尼比，计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i。

其进一步技术方案为：S5中，通过第一差分方程，计算出输出整形位置信息，第一差分方程为

其进一步技术方案为：所述S6包括：

S61，虚拟示波器测出第二振动频率和第二阻尼比；

S62，根据第一振动频率，第二振动频率，第一阻尼比，及第二阻尼比，通过级联方式计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i。

其进一步技术方案为：S7中，通过第二差分方程，计算出输出整形位置信息；第二差分方程为

基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制***，包括：

位置单元，用于得到位置指令；

抖动判断单元，用于判断末端抖动功能是否开启；

振动抑制判断单元，用于判断单次振动抑制是否开启；

测量计算单元，用于测出振动频率和阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；

计算输出单元，用于计算并输出整形位置信息。

其进一步技术方案为：所述测量计算单元包括测量模块和计算模块；

测量模块，用于测出振动频率和阻尼比；

计算模块，用于计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i。

本发明与现有技术相比的有益效果是：针对机器人普遍存在的末端抖动，起到很好的抑制效果，减少了定位时间，提高了效率。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法的流程图；

图2为图1中抖动周期的示意图；

图3为本发明基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法中的工作示意图；

图4为本发明基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制***的方框图。

10 位置单元 20 抖动判断单元

30 振动抑制判断单元 40 测量计算单元

41 测量模块 42 计算模块

50 计算输出单元

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1到图4所示的具体实施例，其中，如图1至图3所示，本发明公开了基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法，包括以下步骤：

S1，得到位置指令；

S2，判断末端抖动功能是否开启；如果是开启，则进入下步骤，如果没有开启，则进入S8；

S3，判断单次振动抑制是否开启；如果是开启，则进入下步骤，如果没有开启，则进入S6；

S4，测出第一振动频率和第一阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；

S5，通过计算得到整形位置信息，并输出；

S6，测出第二振动频率和第二阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；

S7，通过计算得到整形位置信息，并输出；

S8，结束。

其中，如图2所示，在S1中，位置指令是根据位置环的控制周期62.5us得到。

具体地，如图3所示，S1还包括，位置指令通过ZVD整形器输出，位置环P调节以及位置前馈输出给定速度，进行速度环以及电流环的PI调节，以控制电机的运转。

其中，S4包括：

S41，根据虚拟示波器位置反馈波形，得出第一振动频率和第一阻尼比；

S42，根据第一振动频率和第一阻尼比，计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i。

其中，在S5中，通过第一差分方程，计算出输出整形位置信息，第一差分方程为

其中，S6包括：

S61，虚拟示波器测出第二振动频率和第二阻尼比；

S62，根据第一振动频率，第二振动频率，第一阻尼比，及第二阻尼比，通过级联方式计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i。

其中，在S7中，通过第二差分方程，计算出输出整形位置信息；第二差分方程为

其中，ZVD输入整形器是滤波方式之外的又一种被动消除抖振的策略，属于开环控制，常常被使用在机械臂等柔性***的末端抖振消除；同样基于设备的物理共振特性，但不同于滤波方案滤除特定的共振频率的控制思路，输入整形技术从机械***模态分析出发，将伺服控制***的指令激发末端抖动的部分自我消除，也同样使伺服直接跟随的指令中不再含有特征频率，从而抑制了弹性抖振。

其中，ZVD输入整形器的原理：与陷波滤波器一样，输入整形器也是对在位置指令进入到伺服驱动器之前，对其进行一定的处理，使位置指令不会激发出整个伺服驱动控制新***，故而其处于***的位置与陷波滤波器一样，在位置指令虚拟示波器与伺服跟踪驱动***之间；输入整形器的基本思想是将原来的位置指令分解成为一系列的脉冲信号依次输入到***之中，即通过把指令整形成为不会引发***残余振动的形式来达到消除末端抖动的目的。

进一步地，以两个脉冲为例，对于一个弹性连接***下的伺服控制***，在t＝0s的时刻，脉冲A1会激发***响应出现抖动现象，其抖振周期为T，脉冲A2若在t＝T/2的时刻加入***，则其也会激发***响应出现抖振周期为T的抖动现象，二者的相位相差半个周期，若能进一步控制脉冲A1和A2的幅值大小进行配合，脉冲A1和A2激发出的抖动就可以互相抵消，达到末端抖动抑制的效果。

其中，绝大多数的***的响应特性由一对主导极点决定，其传递函数为：

其中，ω_n为固有频率，ε为阻尼比。

输入整形技术是这样一个过程：将***加载的命令与规定的脉冲时滞信号卷积，获得整形信号的经过；当0<ε<1时，***表现为欠阻尼，***的单位脉冲输出；

其中

为二阶***的固有频率。

由N个脉冲形成的输入整形器表达式为：

一般将输入整形器放在整个闭环***的前方，此时整个被控***属于开环控制；倘若被控对象的单位脉冲输出是ω(t)，输入整形器的单位脉冲输出是f(t)，根据叠加原理，***的单位脉冲输出可表示为：

当脉冲数目为n时，其响应则由n个脉冲响应式叠加而成，即单位脉冲信号经输入整形器后，形成脉冲序列，接着二阶***接受此命令，通过n个脉冲时滞序列引致的输出之和构成了***的响应。是由同频率的正弦信号叠加而成，可通过三角函数来简化，则多个脉冲的***响应为：

对上面的幅度值进行比值，可获取无单位的残留振动表达式，也就是：

如果***没有末端抖动现象，则必须满足：

由于方程组的计算结果是无限阶数，获得的是无数个输入整形器，使***呈现有限脉冲响应。若增加对输入整形器性能的约束条件，可以得到唯一解，此时得到的输入整形器具有特定的性能指标。

首先对幅值进行规定，确保增益在整形前后的幅值相同，即：

若***中不发生超调现象，幅值应全部等于正数，也就是：

A_i＞0

输入整形器是有目标的将时滞植入***，为提高***的响应速度，需要时间尽量小，所以规定第一个脉冲在零时刻实现，即：

t₁＝0

若要求输入整形器能实现，i>1,则：

t_i＞0

零振动微分(Zero Vibration and Derivation，ZVD)输入整形器由三个脉冲组成,其具体表示可写成：

这种整形器不仅要求***响应中的振动幅值为零，而且要求振动的变化幅度也为零，意味着对振动有着更强的抑制效果和鲁棒性。

根据上述几个条件，可求出步骤三的相关系数：

其中T为被控对象的周期：

离散化处理：令t_i＝n_iT_s，T_s为采样周期，F(S)进行Z变换：

则差分方程为：

y(n)＝A₁x(n-n₁)+A₂x(n-n₂)+A₃x(n-n₃)

由于n₁＝0，可简化为：

y(n)＝A₁x(n)+A₂x(n-n₂)+A₃x(n-n₃)

若采样频率为16384hz,要检测4hz以上的振动频率，则采样点数为16384/4＝4096；由n_i＝t_i/T_s＝t_if_s可确定n_i的值，实际相当于一个FIR滤波器。

上述参数跟固有频率和阻尼比有关，固有频率的确定根据虚拟示波器显示位置反馈的波形，测算出振动周期以及震荡次数从而可求出固有频率和阻尼比。

固有频率为振动周期的倒数，根据经验所得阻尼比与震荡周期有对应关系，振荡周期数表示被控对象最终稳定在目标位置时，负载所经历的振荡周期数目(如下表)。

震荡周期数	1	2	3	4	5
						阻尼比	0.4	0.3	0.2	0.15	0.13
震荡周期数	6	7	8	9	10
						阻尼比	0.11	0.1	0.09	0.07	0.06
震荡周期数	11	12	13	14	15
						阻尼比	0.05	0.046	0.043	0.04	0.035

***往往不止一个震动模态，若采用一组整形器不能完全消除抖动的情况下，需采用级联的方式设置多个整形器，以两组整形器为例：

将上述两式进行卷积，设幅值为A₁，A₂,A₃；B₁,B₂，B₃则两模态的输入整形器的参数为：

如图4所示，本发明还公开了基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制***，包括：

位置单元10，用于得到位置指令；

抖动判断单元20，用于判断末端抖动功能是否开启；

振动抑制判断单元30，用于判断单次振动抑制是否开启；

测量计算单元40，用于测出振动频率和阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；

计算输出单元50，用于计算并输出整形位置信息。

其中，测量计算单元40包括测量模块41和计算模块42；

测量模块41，用于测出振动频率和阻尼比；

计算模块42，用于计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i。

本发明针对机器人普遍存在的末端抖动，起到很好的抑制效果，减少了定位时间，提高了效率。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，得到位置指令；

S2，判断末端抖动功能是否开启；如果是开启，则进入下步骤，如果没有开启，则进入S8；

S3，判断单次振动抑制是否开启；如果是开启，则进入下步骤，如果没有开启，则进入S6；

S4，测出第一振动频率和第一阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；

S5，通过计算得到整形位置信息，并输出；

S6，测出第二振动频率和第二阻尼比，并计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i；

S7，通过计算得到整形位置信息，并输出；

S8，结束；

所述S1中，位置指令是根据位置环的控制周期62.5us得到；所述S1还包括，位置指令通过ZVD整形器输出，位置环P调节以及位置前馈输出给定速度，进行速度环以及电流环的PI调节，以控制电机的运转；以两个脉冲为例，对于一个弹性连接***下的伺服控制***，在t＝0s的时刻，脉冲A1会激发***响应出现抖动现象，其抖振周期为T，脉冲A2若在t＝T/2的时刻加入***，则其也会激发***响应出现抖振周期为T的抖动现象，二者的相位相差半个周期，若能进一步控制脉冲A1和A2的幅值大小进行配合，脉冲A1和A2激发出的抖动就可以互相抵消，达到末端抖动抑制的效果；

其中，绝大多数的***的响应特性由一对主导极点决定，其传递函数为：

其中，ω_n为固有频率，ε为阻尼比；

输入整形技术是这样一个过程：将***加载的命令与规定的脉冲时滞信号卷积，获得整形信号的经过；当0<ε<1时，***表现为欠阻尼，***的单位脉冲输出；

其中

为二阶***的固有频率；

由N个脉冲形成的输入整形器表达式为：

一般将输入整形器放在整个闭环***的前方，此时整个被控***属于开环控制；倘若被控对象的单位脉冲输出是ω(t)，输入整形器的单位脉冲输出是f(t)，根据叠加原理，***的单位脉冲输出可表示为：

当脉冲数目为n时，其响应则由n个脉冲响应式叠加而成，即单位脉冲信号经输入整形器后，形成脉冲序列，接着二阶***接受此命令，通过n个脉冲时滞序列引致的输出之和构成了***的响应，是由同频率的正弦信号叠加而成，可通过三角函数来简化，则多个脉冲的***响应为：

对上面的幅度值进行比值，可获取无单位的残留振动表达式，也就是：

如果***没有末端抖动现象，则必须满足：

由于方程组的计算结果是无限阶数，获得的是无数个输入整形器，使***呈现有限脉冲响应；若增加对输入整形器性能的约束条件，可以得到唯一解，此时得到的输入整形器具有特定的性能指标；

首先对幅值进行规定，确保增益在整形前后的幅值相同，即：

若***中不发生超调现象，幅值应全部等于正数，也就是：

A_i＞0

输入整形器是有目标的将时滞植入***，为提高***的响应速度，需要时间尽量小，所以规定第一个脉冲在零时刻实现，即：

t₁＝0

若要求输入整形器能实现，i>1,则：

t_i＞0

零振动微分输入整形器由三个脉冲组成,其具体表示可写成：

这种整形器不仅要求***响应中的振动幅值为零，而且要求振动的变化幅度也为零，意味着对振动有着更强的抑制效果和鲁棒性；

根据上述几个条件，可求出步骤三的相关系数：

其中T为被控对象的周期：

离散化处理：令t_i＝n_iT_s，T_s为采样周期，F(S)进行Z变换：

则差分方程为：

y(n)＝A₁x(n-n₁)+A₂x(n-n₂)+A₃x(n-n₃)

由于n₁＝0，可简化为：

y(n)＝A₁x(n)+A₂x(n-n₂)+A₃x(n-n₃)

若采样频率为16384hz,要检测4hz以上的振动频率，则采样点数为16384/4＝4096；由n_i＝t_i/T_s＝t_if_s可确定n_i的值，实际相当于一个FIR滤波器；

上述参数跟固有频率和阻尼比有关，固有频率的确定根据虚拟示波器显示位置反馈的波形，测算出振动周期以及震荡次数从而可求出固有频率和阻尼比。

2.根据权利要求1所述的基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法，其特征在于，所述S4包括：

S41，根据虚拟示波器位置反馈波形，得出第一振动频率和第一阻尼比；

S42，根据第一振动频率和第一阻尼比，计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i。

3.根据权利要求1所述的基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法，其特征在于，所述S5中，通过第一差分方程，计算出输出整形位置信息；所述第一差分方程为

4.根据权利要求1所述的基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法，其特征在于，所述S6包括：

S61，虚拟示波器测出第二振动频率和第二阻尼比；

S62，根据第一振动频率，第二振动频率，第一阻尼比，及第二阻尼比，通过级联方式计算出相关ZVD整形器系数A_i和t_i。

5.根据权利要求1所述的基于ZVD整形器的机器人末端抖动抑制方法，其特征在于，所述S7中，通过第二差分方程，计算出输出整形位置信息；所述第二差分方程为

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