一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制方法及系统

本发明属于振动抑制相关，更具体地，涉及一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制方法及系统。

背景技术：

1、工业机器人振动问题可以分为高加减速、加速度突变所引起的瞬态振动过程；以及持续性激励源频率达到共振频率所引起的共振现象。同时机器人振动最终会进一步加剧机器人轨迹精度的降低，极大的影响其加工质量与效率。由于谐波减速器的结构特性和装配误差，其输入输出之间存在传动误差。其主要成分为谐波形式，主要频率波发生器输入的2倍。当该频率达到机器人共振频率时，会引起机器人末端产生剧烈振动，因此相比其他减速器而言，谐波减速器更易引起机器人产生共振现象。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制方法及系统，可以在位置控制下稳定实现振动抑制。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制方法，包括：s1：将机器人关节等效为扭簧，获取其扭簧扭矩微分信息；s2：采用二阶低通滤波器对所述扭簧扭矩微分信息进行整形获得中间力矩；s3：对所述中间力矩进行阻尼调节获得扭矩微分补偿力矩；s4：采用所述扭矩微分补偿力矩对下一时刻的电机力矩进行补偿，获下一时刻的电机力矩。

3、优选地，步骤s1具体包括：s11：将机器人关节等效为扭簧，建立电机侧动力学模型，其中所述电机侧动力学模型为：

4、

5、其中，为第i个关节的电机力矩，为第i个关节的电机加速度，为第i个关节的电机惯量，为第i个关节等效的扭簧的扭簧扭力；s12：对所述电机侧动力学模型进行微分获取所述扭簧的扭簧扭矩微分信息。

6、优选地，所述扭矩微分补偿力矩为：

7、

8、其中，为第i个关节第k个时刻的电机力矩，为第i个关节的电机惯量，为第i个关节第k个时刻的电机加速度，为可调节虚拟阻尼。

9、优选地，下一时刻，也即k+1时刻的电机力矩为：

10、

11、其中，为第k+1个时刻的电机控制力矩，为第k个时刻的扭矩微分补偿力矩。

12、优选地，所述二阶低通滤波器为：

13、

14、其中，为机器人第i个关节扭矩微分补偿低通滤波器的滤波系数。

15、优选地，所述滤波系数的范围满足如下约束：

16、

17、

18、其中，为控制系统主导极点根轨迹起始角，m为控制系统零点的数量，zj为第j个零点，n为控制系统极点的数量，pj为第j个极点，其中，为第j个开环零点到第1个开环极点的向量相角。

19、优选地，步骤s3中采用可调节虚拟阻尼对中间力矩进行阻尼调节，采用如下方式获得可调节虚拟阻尼

20、获取闭环控制系统主导极点坐标，将主导极点坐标带入闭环控制系统特征方程，获得复数形式的闭环控制方程，分别令复数形式的闭环控制方程的实部和虚部为0，对应分别获得所述可调节虚拟阻尼的大小和对应的闭环系统主导极点实部绝对值a。

21、本申请第二方面提供了一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制系统，包括：扭簧扭矩微分信息获取模块：用于将机器人关节等效为扭簧，获取其扭簧扭矩微分信息；整形模块：用于采用二阶低通滤波器对所述扭簧扭矩微分信息进行整形获得中间力矩；阻尼调节模块：用于对所述中间力矩进行阻尼调节获得扭矩微分补偿力矩；补偿模块：用于采用所述扭矩微分补偿力矩对下一时刻的电机力矩进行补偿，获下一时刻的电机力矩。

22、优选地，所述扭簧扭矩微分信息获取模块包括：第一子模块：用于将机器人关节等效为扭簧，建立电机侧动力学模型，其中所述电机侧动力学模型为：

23、

24、其中，为第i个关节的电机力矩，为第i个关节的电机加速度，为第i个关节的电机惯量，为第i个关节等效的扭簧的扭簧扭力；第二子模块：用于对所述电机侧动力学模型进行微分获取所述扭簧的扭簧扭矩微分信息。

25、优选地，所述扭矩微分补偿力矩为：

26、

27、其中，为第i个关节第k个时刻的电机力矩，为第i个关节的电机惯量，为第i个关节第k个时刻的电机加速度，为可调节虚拟阻尼。

28、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制方法及系统主要具有以下有益效果：

29、1.本申请通过引入二阶滤波器增加整个系统的阻尼，实现在位置控制模式下，在保证整个闭环系统稳定的前提下实现振动抑制。

30、2.本申请的扭矩微分补偿方法，基于电机侧动力学模型计算得到扭簧扭矩。进一步的对该扭簧扭矩进行微分获得扭矩微分信息，因此可以仅依靠电机侧编码器即可实现给闭环系统添加虚拟阻尼，显著降低了对过多传感器的依赖。

31、3.本申请的滤波系数和可调节虚拟阻尼的选取，可以指定闭环系统主导极点的阻尼比及保证闭环系统稳定性。实现解析化调参，避免盲目调参过程。

技术特征：

1.一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的机器人振动抑制方法，其特征在于，步骤s1具体包括：

3.根据权利要求1或2所述的机器人振动抑制方法，其特征在于，所述扭矩微分补偿力矩为：

4.根据权利要求2或3所述的机器人振动抑制方法，其特征在于，下一时刻，也即k+1时刻的电机力矩为：

5.根据权利要求1所述的机器人振动抑制方法，其特征在于，所述二阶低通滤波器为：

6.根据权利要求5所述的机器人振动抑制方法，其特征在于，所述滤波系数的范围满足如下约束：

7.根据权利要求1或3所述的机器人振动抑制方法，其特征在于，步骤s3中采用可调节虚拟阻尼对中间力矩进行阻尼调节，采用如下方式获得可调节虚拟阻尼

8.一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制系统，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的机器人振动抑制系统，其特征在于，所述扭簧扭矩微分信息获取模块包括：

10.根据权利要求8或9所述的机器人振动抑制系统，其特征在于，所述扭矩微分补偿力矩为：

技术总结本发明属于振动抑制相关技术领域，其公开了一种基于扭矩微分补偿的机器人振动抑制方法及系统，方法包括：S1：将机器人关节等效为扭簧，获取其扭簧扭矩微分信息；S2：采用二阶低通滤波器对所述扭簧扭矩微分信息进行整形获得中间力矩；S3：对所述中间力矩进行阻尼调节获得扭矩微分补偿力矩；S4：采用所述扭矩微分补偿力矩对下一时刻的电机力矩进行补偿，获下一时刻的电机力矩。本申请可以在位置控制下稳定实现振动抑制。技术研发人员：王渴健,朱志红,黄石峰,王硕受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13