CN115229849B - 一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，属于机器人振动抑制控制技术领域。解决现有控制***对机器人振动抑制效果不佳的问题。本申请技术要点：根据各关节伺服电机力矩值，建立考虑关节自身转动惯量和摩擦阻尼的机器人动力学方程及基于广义动量的扰动观测器动力学方程；设定冲击检测阈值，当观测器输出高于所设置冲击检测阈值时，判定冲击产生，此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。本申请很好的抑制冲击载荷带来的机械振动，提高***稳定性。

Description

一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法

技术领域

本申请涉及一种机器人冲击载荷下的振动抑制方法，尤其涉及一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，属于机器人振动抑制控制技术领域。

背景技术

关节型重载出炉机器人，它是一种在恶劣工况下进行自动化作业的机械设备，其工作过程中的开眼、排渣、清炉舌等工艺动作均存在较大的冲击载荷。冲击载荷一方面容易引起机器人的材料疲劳，使本体产生较大变形或永久损坏。另一方面冲击产生的振动易引起***的不稳定，降低生产效率。因此，研究强冲击载荷作用下的关节型重载出炉机器人***振动抑制技术，对提高机器人运行性能具有重要意义。

关节型重载出炉机器人的运动关节由连杆与关节部件构成，采用RV减速器作为传动元件。一般控制***都假定机器人的本体结构是刚性的，并按照刚性结构对其运动进行控制。然而，由于组成关节的元件本身结构紧凑、绝对刚度有限，关节柔性不可避免。故而，现有控制***对机器人振动抑制效果不佳。如何研究出一种能够解决上述问题的方法，使关节型重载出炉机器人在特殊工艺需求下，既能够输出满足工艺要求的冲击力，同时又能够很好的抑制冲击载荷带来的机械振动，提高***稳定性，已然成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，以解决现有控制***对机器人振动抑制效果不佳的问题。

本申请的技术方案是这样实现的：

方案一：一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，包括：

步骤一，实时获取机器人典型工艺过程中各关节伺服电机力矩值；

步骤二，根据采集的各关节伺服电机力矩值，建立考虑关节自身转动惯量和摩擦阻尼的机器人动力学方程及基于广义动量的扰动观测器动力学方程；

步骤三，根据观测器动力学方程，设定冲击检测阈值，当观测器输出高于所设置冲击检测阈值时，判定冲击产生，此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。

进一步地，所述步骤一中典型工艺过程具体为：开眼、拉渣、清炉舌。

进一步地，所述步骤二，具体为：

考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼，机器人动力学方程及关节电机模型描述如下：

其中，q，分别为关节位置，速度，加速度；M(q)为广义惯性质量矩阵；/>为向心力和哥氏力项；g(q)为重力矩向量；τ，τ_ext为驱动力矩和冲击力矩；J_m电机转子惯量；θ电机侧位置；τ_m电机输出力矩；τ_H折合到电机侧的关节侧力矩；f_s库伦摩擦系数；f_c阻尼系数；H关节减速比；

求解得到考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼的机器人动力学方程：

设总惯量：B(q)＝M(q)+H²J_m，总摩擦阻尼：驱动力矩：τ_α＝Hτ_m；得到考虑电机动力学模型与摩擦阻尼的动力学方程：

根据动力学模型定义广义角动量：又根据广义的动力学模型方程得到广义角动量的变化率为：

其中，为向心力和哥氏力矩阵的转置矩阵；

构建基于广义角动量的扰动观测器算法：

其中，为观测量及观测量一阶导数的时间函数，K_I为比例系数，/>为广义角动量一阶导数的时间函数，/>为摩擦阻尼观测值；

当机器人无冲击发生时，τ_ext≡0，利用电机电流获取关节力矩值，此时扰动观测器输出即是关节广义摩擦阻尼的实际估计，进行摩擦阻尼估计的具体步骤为：使机器人在无冲击的条件时完成工艺动作，记录摩擦阻尼补偿曲线数据，并在观测冲击产生时将基础摩擦阻尼从观测值中剔除；观测器动力学方程简化并做拉氏变换为：

其中，s为复频率；

当比例系数K_I趋近于无穷大时，观测值近似于等于冲击力矩大小，且每个关节的观测值为外力作用在关节上的力矩值；由于冲击外力为式中/>为雅可比矩阵，F_ext为关节承受冲击外力，因此，检测获得冲击发生的位置。

进一步地，所述步骤三，具体为：

设定冲击检测阈值r_low，r_low为一个n维向量，其中每项为每个关节的冲击检测阈值；当/>时，即某一关节发生了冲击，/>为第i关节观测变量，为第i关节无冲击时的观测量；

通过构造动态响应优化求解器：

其中，K为静态增益，Q(s)为高阶滤波器表达式，p₁为时间常数的倒数，ω_n为无阻尼自然震荡频率，为阻尼系数；

对机器人每个关节有：

其中，K_i为第i关节变阻抗系数，Q(jω)为高阶滤波器角频域响应，为第i关节补偿加速度，/>为***阻抗系数；

当设计求解器参数使得时，通过调节比例***静态增益K，进行更改关节阻抗特性；此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。

本申请有益效果体现在：

1.本申请所提出的振动抑制方法，不需要额外增加外部传感器部件，无需增加额外成本，运动控制***能够通过伺服控制器本身的动态参数来判断***是否产生冲击，并对冲击产生的振动进行有效抑制。

2.本申请从考虑关节阻性的机器人动力学方程入手，建立观测器检测冲击的产生，对观测结果进行动态响应最优求解，将最优解与机器人运动学逆解叠加补偿，可抑制由于冲击载荷产生的振动，同时考虑关节本身的转动惯量和摩擦阻尼，这样的处理方法能够提高***对冲击的检测效果，振动抑制更加准确；

3、本申请针对不同的振动强度采取最优的控制方式进行补偿，提高了***振动抑制针对性，振动效果抑制明显。

4、本申请使关节型重载出炉机器人在特殊工艺需求下，既能够输出满足工艺要求的冲击力，同时又能够很好的抑制冲击载荷带来的机械振动，提高***稳定性，避免了因工作冲击载荷引起的机器人零部件失效，延长了机器人的寿命，大大降低了机器故障甚至安全事故的发生率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例一提供的关节型重载出炉机器人构型图；

图2为本申请实施例一提供的振动抑制原理图；

图3为本申请实施例一提供的振动抑制效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与申请相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

本申请实施例一提供了一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法(参见图1-图3)，从考虑关节阻性的机器人动力学方程入手，建立观测器检测冲击的产生，对观测结果进行动态响应最优求解，将最优解与机器人运动学逆解叠加补偿，解决机器人在强冲击载荷工艺下的振动抑制问题。

关节型重载出炉机器人，具体包括：腰转关节1，升降关节2，俯仰关节3，工具平移关节4，工具旋转关节5，大车平移关节6。对本申请关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法进行详细描述。

关节型重载出炉机器人需完成开眼、拉渣、清炉舌等工艺过程，具体为需由如图1所示的腰转关节1，升降关节2，俯仰关节3，工具平移关节4，工具旋转关节5，大车平移关节6多关节耦合运动驱动机器人手爪中的出炉工具完成空间直线轨迹动作，并在此过程中使工具末端对炉眼具有一定的冲击力。该冲击力的反作用力施加在机器人本体上，就会对机器人本体产生冲击作用并引起振动。在此过程中由运动控制***通过EtherCAT协议读取伺服电机内部的电流参数折算关节力矩值。

在机器人关节中，电机转子惯量经RV减速机放大作用到机械臂关节侧；同时RV减速机轴承和齿轮引入了摩擦阻尼。在利用伺服电机电流作为冲击检测算法输入信号时，必须将电机转子惯量折算到关节侧，并且对摩擦阻尼进行补偿。当考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼时，机器人动力学方程及关节电机模型描述如下：

其中，q，分别为关节位置，速度，加速度；M(q)为广义惯性质量矩阵；/>为向心力和哥氏力项；g(q)为重力矩向量；τ，τ_ext为驱动力矩和冲击力矩；J_m电机转子惯量；θ电机侧位置；τ_m电机输出力矩；τ_H折合到电机侧的关节侧力矩；f_s库伦摩擦系数；f_c阻尼系数；H关节减速比；

将公式一联合求解得到考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼的机器人动力学方程：

设总惯量：B(q)＝M(q)+H²J_m，总摩擦阻尼：驱动力矩：τ_α＝Hτ_m；得到考虑电机动力学模型与摩擦阻尼的动力学方程：

根据动力学模型定义广义角动量：对该广义角动量求导：由于H²J_m的导数为零，故/>又根据广义的动力学模型方程得到广义角动量的变化率为：

其中，为向心力和哥氏力矩阵的转置矩阵，τ_f和τ_ext同为未知量，在构造扰动观测器前，先对摩擦项进行补偿：/>于是广义动量观测值的导数为：

构建基于广义角动量的扰动观测器算法：

其中，为观测量及观测量一阶导数的时间函数，K_I为比例系数，/>为广义角动量一阶导数的时间函数，/>为摩擦阻尼观测值；

当机器人无冲击发生时，τ_ext≡0，利用电机电流获取关节力矩值，此时扰动观测器输出即是关节广义摩擦阻尼的实际估计，进行摩擦阻尼估计的具体步骤为：使机器人在无冲击的条件时完成工艺动作，记录摩擦阻尼补偿曲线数据，并在观测冲击产生时将基础摩擦阻尼从观测值中剔除；公式六简化为：

对公式七做拉氏变换，得：

其中，s为复频率；

在理想情况下，当比例系数K_I趋近于无穷大时，观测值近似于等于冲击力矩大小，且每个关节的观测值为外力作用在关节上的力矩值；由于冲击外力为式中/>为雅可比矩阵，F_ext为关节承受冲击外力，因此可以检测冲击发生的位置。

利用振动观测算法检测机器人关节冲击，具体为：设定冲击检测阈值r_low，r_low为一个n维向量，其中每项为每个关节的冲击检测阈值；当/>时，即某一关节发生了冲击，/>为第i关节观测变量，/>为第i关节无冲击时的观测量；在实际应用过程中，冲击检测阈值的选择原则为：1、冲击检测阈值r_low选择略高于由检测及计算产生的噪声及误差，避免阈值过低引起误判；2、冲击检测阈值r_low选择在原则1的基础上尽量低，从而提高关节对外部冲击的敏感度。

柔顺控制算法设计的思想是通过构造动态响应优化求解器，将检测到的冲击信号估计值映射到加速度命令上：

其中，求解器满足如下两个条件，一是求解器算法保证输出轨迹充分光滑平稳；满足该条件有利于控制算法的稳定性，为满足该条件，求解器算法选取高阶滤波器；二是在频带范围内，求解器算法的幅值为定值，且满足低延迟要求。满足该两点要求的求解器算法等同于***阻抗特性，可以实现机器人***阻抗特性可调的功能；与此同时，由于扰动观测信号存在高频噪声，为避免耦合高频噪声的轨迹命令，造成控制***的不稳定。所设计求解器对高频噪声具有良好的抑制效果；另外，为达到更好的滤波效果，选择阶数较高的低通滤波器。综合考虑以上几点，选择求解器阶数为三阶，构造如下：

其中，K为静态增益，Q(s)为高阶滤波器表达式，p₁为时间常数的倒数，ω_n为无阻尼自然震荡频率，为阻尼系数；

则外力估计值由扰动观测算法得到，则有：

对机器人每个关节有：

其中，K_i为第i关节变阻抗系数，Q(jω)为高阶滤波器角频域响应，为第i关节补偿加速度，/>为***阻抗系数；

当设计求解器参数使得时，通过调节比例***静态增益K，进行更改关节阻抗特性；此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。

所述求解器有两个作用，分别为：

a.对轨迹的平滑作用，生成二阶导数为连续平滑函数的轨迹命令；

b.通过改变求解器的内部参数，实现调整***的阻抗特性，当***发生冲击时，根据不同冲击强度反映出不同的阻抗特性。

对观测器方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿。再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，根据不同的冲击强度使机器人受力关节反映出不同的阻抗特性。

(1)为使求解器与阻抗特性相同，求解器在带宽内幅值选取为恒定常量，因此求解器参数p₁与ω_n选取为相等，使求解器Bode图仅有一个转折频率；

(2)合理选择带宽，既要保证使信号未发生失真现象，同时又要保证低延迟满足***控制实时性要求。因此带宽选择小于的计算频率，同时也要适当选择阻尼系数ζ抑制***震荡，提高响应速度。

对本申请进行效果验证

为验证冲击载荷下关节型重载出炉机器人振动抑制效果，分别采用经典PID控制及本申请的方法进行相同工艺动作，通过振动检测平台获取机器人关节的振动数据。将振动强度曲线进行傅里叶变换得到***振动振幅。实验结果如图3所示：采用本申请的方法振动幅值约为经典PID控制法的一半，大大降低了***振动。使机器人在强冲击载荷下，既能够输出满足工艺需求的冲击力，同时又能够很好的抑制冲击载荷带来的机械振动，提高***稳定性。

以上所述的实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，其特征在于，包括：

步骤一，实时获取机器人典型工艺过程中各关节伺服电机力矩值；典型工艺过程具体为：开眼、拉渣、清炉舌；

步骤二，根据采集的各关节伺服电机力矩值，建立考虑关节自身转动惯量和摩擦阻尼的机器人动力学方程及基于广义动量的扰动观测器动力学方程；

步骤三，根据观测器动力学方程，设定冲击检测阈值，当观测器输出高于所设置冲击检测阈值时，判定冲击产生，此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制；

所述步骤三，具体为：

设定冲击检测阈值r_low，r_low为一个n维向量，其中每项为每个关节的冲击检测阈值；当/>时，即某一关节发生了冲击，/>为第i关节观测变量，/>为第i关节无冲击时的观测量；

通过构造动态响应优化求解器：

其中，K为静态增益，Q(s)为高阶滤波器表达式，p₁为时间常数的倒数，ω_n为无阻尼自然震荡频率，为阻尼系数；

对机器人每个关节有：

其中，K_i为第i关节变阻抗系数，Q(jω)为高阶滤波器角频域响应，为第i关节补偿加速度，/>为***阻抗系数；

当设计求解器参数使得时，通过调节比例***静态增益K，进行更改关节阻抗特性；此时，对观测器动力学方程进行动态响应优化求解，所得最优解与机器人运动学逆解进行叠加补偿；再通过轨迹规划算法将补偿后的控制量分解到各关节驱动端，实现关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制。

2.根据权利要求1所述的一种关节型重载出炉机器人强冲击载荷下的振动抑制方法，其特征在于，所述步骤二，具体为：

考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼，机器人动力学方程及关节电机模型描述如下：

其中，q，分别为关节位置，速度，加速度；M(q)为广义惯性质量矩阵；/>为向心力和哥氏力项；g(q)为重力矩向量；t，t_ext为驱动力矩和冲击力矩；J_m为电机转子惯量；q为电机侧位置；t_m为电机输出力矩；t_H为折合到电机侧的关节侧力矩；f_s为库伦摩擦系数；f_c为阻尼系数；H为关节减速比；

求解得到考虑关节自身转动惯量及摩擦阻尼的机器人动力学方程：

设总惯量：B(q)＝M(q)+H²J_m，总摩擦阻尼：驱动力矩：t_α＝Ht_m；得到考虑电机动力学模型与摩擦阻尼的动力学方程：

根据动力学模型定义广义角动量：又根据广义的动力学模型方程得到广义角动量的变化率为：

其中，为向心力和哥氏力矩阵的转置矩阵；

构建基于广义角动量的扰动观测器算法：

其中，为观测量及观测量一阶导数的时间函数，K_I为比例系数，/>为广义角动量一阶导数的时间函数，/>为摩擦阻尼观测值；

当机器人无冲击发生时，t_ext≡0，利用电机电流获取关节力矩值，此时扰动观测器输出即是关节广义摩擦阻尼的实际估计，进行摩擦阻尼估计的具体步骤为：使机器人在无冲击的条件时完成工艺动作，记录摩擦阻尼补偿曲线数据，并在观测冲击产生时将基础摩擦阻尼从观测值中剔除；观测器动力学方程简化并做拉氏变换为：

其中，s为复频率；

当比例系数K_I趋近于无穷大时，观测值近似于等于冲击力矩大小，且每个关节的观测值为外力作用在关节上的力矩值；由于冲击外力为式中/>为雅可比矩阵，F_ext为关节承受冲击外力，因此，检测获得冲击发生的位置。