CN115097724A - 一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法，包括以下步骤：构建用于耦合机器人各关节误差的同步误差模型；将同步误差模型带入控制器，通过控制器控制机器人各关节动作。本发明可有效改善跟踪误差极值对整体***影响大的问题，提高控制策略的鲁棒性，保障各关节跟踪精度，实现多关节机器人的同步控制，降低机器人末端精度不准导致的风险，提高多关节机器人产品运行安全性。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制策略领域，具体地说是一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制策略。
背景技术
目前已有的机器人同步控制技术中，包括传统的机械式同步、早期非交叉耦合型控制策略和目前使用较多的交叉耦合型控制策略。机械式同步方式主要通过机械结构的改变进而实现对执行机构的同步控制，由于机械结构长期运作导致的磨损，以及机械结构间不可避免的装配误差等因素，都会影响整个***的同步性能；非交叉耦合型控制策略的控制***中各关节不存在关联，互不影响，在单个关节层面是闭环控制，但从整体***层面实属开环控制，在这种控制策略下，当某一关节受到外界干扰，输出存在变化时，其他关节并不会因此影响而做出改变，从而导致最终误差产生，同步控制性能较差。
目前使用的交叉耦合型控制策略，解决了非交叉耦合控制策略中的开环问题，但存在以下问题：在控制***中，各关节的信号反馈补偿，一方面来自于本关节的跟踪误差，另一方面来自于同其他关节间的同步误差，同步误差有两种方式，速度偏差和以各关节间的跟踪误差差值进行变换作为的补偿。以速度偏差作为的补偿只适用于输入信号相同的前提下，例如主从控制机械手，多机器人作业控制等，每类对应关节输入信号相同，这是宏观的、多机器人中的机器人同步控制，但当控制对象缩小到单机器人并且各关节输入信号不同时，例如六自由度机械臂，各关节间的速度偏差极大，这类控制策略不存在实际意义；以各关节间的跟踪误差差值进行变换得到的补偿计算量大，没有考虑跟踪误差极值对整体***的影响，鲁棒性差，例如最大偏差耦合控制、加权耦合型同步控制策略。在机器人运动过程中，各关节之间的不同步，将最终导致末端工具的位姿发生偏差，影响工作质量及效率。
发明内容
本发明目的是提供一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法，以解决控制***中跟踪误差极值对整体***的影响大的问题，以提高多关节机器人控制***中控制策略的精确性、稳定性以及策略的普遍适用性。本发明可通过对各关节间采用改进的交叉耦合同步控制策略，提高机器人各关节的跟踪精度，实现多关节机器人的同步控制
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法，包括以下步骤：
构建用于耦合机器人各关节误差的同步误差模型；
将同步误差模型带入控制器，通过控制器控制机器人各关节动作。
所述同步误差模型如下：
其中，εi为第i关节的同步误差，ei为第i关节的跟踪误差，λij为第i关节与第j关节间的影响权值，
为所有关节跟踪误差的均值，n为关节数量，i、j＝1…n。
各关节的同步误差中，包含各关节的跟踪误差、关节间的跟踪误差差值以及所有关节跟踪误差的均值、极值。
所述控制器采用滑膜控制算法。
所述控制器输出如下：
其中，ui(t)控制器输出，
为期望关节角速度，
为正常数，εi(t)为第i关节的同步误差，ci为正常数，
为第i关节总误差导数，t表示时间，n为关节数量；
其中，ei为第i关节的跟踪误差。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明引入的同步误差结构，具备稳定性，适用于多关节不同的输入信号，具有普遍性，另外，将极值和平均值也耦合到其中，解决了跟踪误差极值对整体***的影响大的问题。
2.本发明可有效改善跟踪误差极值对整体***影响大的问题，提高控制策略的鲁棒性，保障各关节跟踪精度，实现多关节机器人的同步控制，降低机器人末端精度不准导致的风险，提高多关节机器人产品运行安全性。
附图说明
图1交叉耦合控制策略下的关节1同步误差结构示意图；
图2交叉耦合控制策略下的三关节机器人无干扰控制***搭建图；
图3阶跃干扰模块图；
图4基于交叉耦合控制策略的三关节机器人不同信号下的有干扰仿真输出图；
图5基于交叉耦合控制策略的三关节机器人不同信号下的有干扰仿真误差分析图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明针对现有同步控制策略存在的问题，首先采用了以各关节间的跟踪误差差值进行的变换作为同步误差，当输入信号不同时，同步误差耦合的只是各关节的跟踪误差差值，并不会因为各路信号不同而造成较大幅度的改变，从而降低对***的影响；其次，本发明采用加权方法来表征每个关节跟踪误差的影响，另一方面将极值和平均值也耦合到其中，来解决跟踪误差极值对整体***的影响大，鲁棒性差的问题。因此，多关节机器人各关节的同步误差表达式如下所示：
其中：
εi：第i关节的同步误差；ei:第i关节的跟踪误差；λij：关节间的影响权值；n:关节数量；e表示所有的跟踪误差。
各关节的同步误差中，包含了本关节的跟踪误差、关节间的跟踪误差差值以及所有关节跟踪误差的均值、极值。
当***满足e1(t)＝e2(t)＝…＝en(t)→0时，同步误差ε(t)→0，可以达到***的同步控制。为提高多关节***的同步控制性能，有效的控制多关节***，关键应考虑控制关节的跟踪误差和同步误差。多关节***的总误差表达式如式2所示：
式中：
为正常数。
因此，设计控制函数ui(t)如式(3)所示：
其中，ui(t)控制器输出，
为期望关节角速度，
为正常数，εi(t)为第i关节的同步误差，ci为正常数，
为第i关节总误差导数，t表示时间，n为关节数量；
式中：ci为正常数，由式(3)定义以下向量：
其中，
为关节角速度。
应用滑模控制原理，应设计控制力矩使得si(t)＝0，处于滑动面上；通过齐次方程通解特性可知，当si(t)处于滑动面时，***总误差ei *(t)将以指数速率向零靠近。在得到***的闭环控制方程后，选取Lyapunov函数如下：
式中：V(t)表示选取的Lyapunov函数，Mi、kε、ci、
kε、λij等系数都为正常数，根据李雅普诺夫判定定理可知V(t)≥0，
***稳定。根据Barbalat定理可知，当t→∞时，趋向于滑模面，e(t)、ε(t)、e*(t)→0；***同步误差和跟踪误差均趋向于零，***具有稳定性。最后通过搭建基于本发明的三关节机器人的控制***图，分别进行有无干扰，输入信号是否相同的仿真对比实验，实验结果发现本发明的抗干扰能力更强，误差更小。
如图1所示，为关节1的同步误差结构图，其它关节依次类推。本发明交叉耦合同步控制策略，采用了以各关节间的跟踪误差差值进行的变换作为同步误差，同时采用加权方法来表征每个关节跟踪误差的影响，另一方面将极值和平均值也耦合到其中，来解决跟踪误差极值对整体***的影响大，鲁棒性差的问题。
在实验中，分别搭建了最大偏差耦合控制策略、加权耦合型同步控制策略以及本发明的改进型交叉耦合控制策略的Simulink控制框图文章实验采用控制变量原则进行实验对比，文章分别进行两组对比实验：相同输入信号下，不同控制策略的对比；不同输入信号下，不同控制策略的对比；为达到明显实验效果，两组实验都分别在干扰有无的情况下进行对比分析，如图3所示为阶跃干扰模块图。
在对比实验中，每种策略都分别应用在三个关节机器人控制***中，每个关节均采用相同电机数学模型，为保证变量统一，每个关节采用传统的PID控制，并且对PID参数的设置统一为Kp＝20、KI＝1250、KD＝0.0001；当控制策略面对不同输入时，阶跃信号0.5s时刻突变，突变时刻跟踪误差较大，相对于其他关节来说是干扰，此时对整个***的影响较大。为保证实验的准确性，在多关节同步控制仿真实验中要加入干扰来验证同步控制策略的性能。
如图2所示，为交叉耦合控制策略下的三关节机器人无干扰Simulink控制***框图，控制策略考虑了所有关节跟踪误差的极值和平均值，图中三个关节输入信号分别为正弦、余弦和阶跃信号。在进行相同输入信号输入实验时，需要把二、三关节输入信号统一更改为正弦信号。在加权耦合型同步控制***和改进的交叉耦合型控制***中，增益Gain1-6统一分别设置为1、0.1、1、0.1、1、1，同步误差系数设置为1。当进行有干扰实验对比分析时，需要把干扰模块作为控制***图中的第三关节的输入，并设置在第三关节加入时间1s-1.01s的阶跃干扰信号。
如图4所示，为基于交叉耦合控制策略的三关节机器人不同信号下的有干扰仿真输出图，图5为基于交叉耦合控制策略的三关节机器人不同信号下的有干扰仿真误差分析图。通过实验结果分析，本发明的交叉耦合控制策略适用于不同的输入信号，具备稳定性，跟踪误差最终收敛；通过图4、图5可观察到，当第三关节受到干扰时，最大误差小于0.04332，各关节的稳定误差分别为0.00560、0.00559、0.00378，相比其他两种策略，本发明的控制策略误差普遍小于其他控制策略，有效的解决了误差极值对整体***影响大、鲁棒性差的问题，在面对干扰时，本发明控制性能较为优越。
Claims (5)
1.一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建用于耦合机器人各关节误差的同步误差模型；
将同步误差模型带入控制器，通过控制器控制机器人各关节动作。
2.根据权利要求1所述的一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法，其特征在于，所述同步误差模型如下：
其中，εi为第i关节的同步误差，ei为第i关节的跟踪误差，λij为第i关节与第j关节间的影响权值，
为所有关节跟踪误差的均值，n为关节数量，i、j＝1…n。
3.根据权利要求1所述的一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法，其特征在于：各关节的同步误差中，包含各关节的跟踪误差、关节间的跟踪误差差值以及所有关节跟踪误差的均值、极值。
4.根据权利要求1所述的一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法，其特征在于，所述控制器采用滑膜控制算法。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于机器人同步控制的交叉耦合控制方法，其特征在于，所述控制器输出如下：
其中，ui(t)控制器输出，
为期望关节角速度，
为正常数，εi(t)为第i关节的同步误差，ci为正常数，
为第i关节总误差导数，t表示时间，n为关节数量；
其中，ei为第i关节的跟踪误差。
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