机器人关节摩擦力补偿调节方法、机器人摩擦力补偿方法

摘要

本发明公开机器人关节摩擦力补偿调节方法、机器人摩擦力补偿方法，涉及工业机器人技术领域，所述机器人关节摩擦力补偿调节方法建立基于滞环模型的摩擦力补偿系数调节模块，通过补偿系数调节模块来调节摩擦力矩补偿程度，所述补偿系数调节模块得到当前速度下设计的补偿系数k，所述补偿系数k为摩擦力补偿比例。通过本发明能实现机器人关节的摩擦力补偿，提高关节电机的动态响应，提高机器人关节的定位精度、轨迹精度以及平顺性，还能有效避免现有摩擦力补偿方法中死区设置带来的抖动和跳变问题，使关节摩擦补偿平滑柔顺。

权利要求

1.一种机器人关节摩擦力补偿调节方法，其特征在于，建立基于滞环模型的摩擦力补偿系数调节模块，通过补偿系数调节模块来调节摩擦力矩补偿程度，所述补偿系数调节模块得到当前速度下设计的补偿系数k，所述补偿系数k为摩擦力补偿比例；

当前速度下设计的补偿系数k的方法包括：

根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k，

其中ωd是死区角速度阈值，hold表示与前一时刻k保持不变，q为任意正数；

或者，根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k1，

其中ωd是死区角速度阈值，hold表示与前一时刻k保持不变，q为任意正数；

根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k2，

其中ωd是死区角速度阈值，hold表示与前一时刻k保持不变，q为任意正数；

得到的k1和k2相加得到补偿系数k；

或者，根据电机角速度ωm变化趋势判断其运行方向Dir，即当ωm由小到大变化时，Dir＝1，当ωm由大到小变化时，Dir＝‑1；

根据电机角速度ωm，通过以下公式计算得到补偿系数k，其中ωd是死区角速度阈值，ωq为退出角速度，为补偿系数初次为0对应的角速度。

2.根据权利要求1所述的机器人关节摩擦力补偿调节方法，其特征在于，利用滞环回差具有方向性的特性，将补偿系数曲线分解为不同的补偿区域，通过电机角速度ωm和补偿系数历史值得到对应的补偿系数当前值。

3.一种机器人摩擦力补偿方法，其特征在于，通过权利要求1或2所述机器人关节摩擦力补偿调节方法获取基于滞环的摩擦力补偿系数k，进而计算得到补偿的摩擦力矩Tc，Tc转换为摩擦补偿电流Ic，加入伺服速度环的输出，即加入转矩电流指令值，由此完成摩擦力的补偿。

4.根据权利要求3所述机器人摩擦力补偿方法，其特征在于，包括以下内容：

1)获取电机角速度ωm的绝对值，送入摩擦力计算模块得到当前速度的摩擦力矩Tf；

2)电机角速度ωm送入补偿系数调节模块，得到当前速度下设计的补偿系数k；

3)通过摩擦力矩Tf和补偿系数k得到需要补偿的摩擦力矩Tc。

5.根据权利要求4所述机器人摩擦力补偿方法，其特征在于，1)中，通过电机编码器获得电机转子位置θm；将获取的电机转子位置θm求导得到电机角速度ωm。

6.根据权利要求4所述机器人摩擦力补偿方法，其特征在于，3)中，Tc除以转矩电流转换系数kt，转换成需要补偿的摩擦补偿电流Ic；或将Tc除以1.5，再除以电机极对数，再除以电机永磁体磁链，转换成需要补偿的摩擦补偿电流Ic。

说明书

机器人关节摩擦力补偿调节方法、机器人摩擦力补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及机器人关节摩擦力补偿调节方法、机器人摩擦力补偿方法。

背景技术

[0002] 机器人工作时伴随各关节的不断运动，而关节运动过程中存在非线性摩擦环节，使得机器人系统的动静态性能受到严重影响。主要表现为产生控制死区，降低角分辨率和重复精度，低速时出现爬行现象，稳态时有较大的误差，出现极限环振荡或者停止－滑动(Sick‑slip)运动等。摩擦力常通过转矩前馈的方式进行补偿，其摩擦力数值有基于模型和观测器两种方式获得，其中观测器的方法算法复杂，计算量大，实施难度高，而基于模型的方法则相对简单直接。但基于模型的摩擦力补偿由于关节电机编码器在低速时采样噪声较大，若根据摩擦力模型补偿则会在速度为零的附近发生补偿值跳变，造成关节抖动，通常会在零速度附近设置一段死区速度，当关节速度绝对值在死区速度内时不补偿，较大时再开始补偿。由于关节电机编码器采样噪声的影响，会导致采样速度在死区速度点附近高频跳变，则会导致摩擦力补偿值跳变，从而引起关节抖动。

发明内容

[0003] 为了消除由于速度采样误差和噪声造成的补偿转矩抖动，提出一种机器人关节摩擦力补偿调节方法、机器人摩擦力补偿方法。

[0004] 本发明采用的技术方案是：

[0005] 一种机器人关节摩擦力补偿调节方法，建立基于滞环模型的摩擦力补偿系数调节模块，通过补偿系数调节模块来调节摩擦力矩补偿程度，所述补偿系数调节模块得到当前速度下设计的补偿系数k，所述补偿系数k为摩擦力补偿比例。

[0006] 现实机器人运动时表现为关节的旋转运动，故摩擦力在关节上表现为摩擦力矩的形式，关节摩擦力为习惯性表达，本申请中描述的摩擦力与力矩同义。

[0007] 可选的，利用滞环回差具有方向性的特性，将补偿系数曲线分解为不同的补偿区域，通过电机角速度ωm和补偿系数历史值得到对应的补偿系数当前值。

[0008] 可选的，当前速度下设计的补偿系数k的方法包括：

[0009] 根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k，

[0010]

[0011] 其中ωd是死区角速度阈值，hold表示与前一时刻k保持不变，q为任意正数。

[0012] 可选的，得到当前速度下设计的补偿系数k的方法包括：

[0013] 根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k1，

[0014]

[0015] 其中ωd是死区角速度阈值，hold表示与前一时刻k保持不变，q为任意正数；

[0016] 根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k2，

[0017]

[0018] 其中ωd是死区角速度阈值，hold表示与前一时刻k保持不变，q为任意正数；

[0019] 得到的k1和k2相加得到补偿系数k。

[0020] 可选的，得到当前速度下设计的补偿系数k的方法包括：

[0021] 根据电机角速度ωm变化趋势判断其运行方向Dir,即当ωm由小到大变化时，Dir＝1，当ωm由大到小变化时，Dir＝‑1。1和‑1代表方向的正负，不表征具体数值。

[0022] 根据电机角速度ωm，通过以下公式计算得到补偿系数k，

[0023]

[0024] 其中ωd是死区角速度阈值，ωq为退出角速度，为补偿系数初次为0对应的角速度，可根据需求衰减斜率自行设置。

[0025] 本发明还提供了一种机器人摩擦力补偿方法，通过上述的机器人关节摩擦力补偿调节方法获取基于滞环的摩擦力补偿系数k，进而计算得到补偿的摩擦力矩Tc，Tc转换为摩擦补偿电流Ic，加入伺服速度环的输出，即加入转矩电流指令值，由此完成摩擦力的补偿。

[0026] 可选的，包括以下内容：

[0027] 1)获取电机角速度ωm的绝对值，送入摩擦力计算模块得到当前速度的摩擦力矩Tf；

[0028] 2)电机角速度ωm送入补偿系数调节模块，得到当前速度下设计的补偿系数k；

[0029] 3)通过摩擦力矩Tf和补偿系数k得到需要补偿的摩擦力矩Tc。

[0030] 可选的，1)中，通过电机编码器获得电机转子位置θm；将获取的电机转子位置θm求导得到电机角速度ωm。

[0031] 可选的，3)中，Tc除以转矩电流转换系数kt，转换成需要补偿的电流指令值Ic；或将Tc除以1.5，再除以电机极对数，再除以电机永磁体磁链，转换成需要补偿的摩擦补偿电流Ic。

[0032] 本发明的有益效果是：通过本发明能实现机器人关节的摩擦力补偿，提高关节电机的动态响应，提高机器人关节的定位精度、轨迹精度以及平顺性，消除机器人由于关节摩擦力带来的抖动和爬行问题。同时，本申请给出了滞环补偿思路，具体的通过采用包括本申请所公开的三种补偿系数模型，能够有效避免现有摩擦力补偿方法中死区设置带来的抖动和跳变问题，使关节摩擦补偿平滑柔顺。

附图说明

[0033] 图1为本发明公开的机器人关节摩擦力补偿调节方法框图；

[0034] 图2为本发明公开的Stribeck摩擦力模型摩擦力补偿系数与速度的变化关系图；

[0035] 图3为传统速度死区和斜坡补偿系数的关系图。

[0036] 图4为本发明公开的一段式滞环补偿的摩擦力补偿系数与速度的变化关系图；

[0037] 图5为本发明公开的两段式滞环补偿的摩擦力补偿系数与速度的变化关系图；

[0038] 图6为本发明公开的两段衰减滞环补偿摩擦力补偿系数与速度的变化关系图。

具体实施方式

[0039] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0040] 以下角标m代表电机，d代表死区，附图中的横坐标ω代表电机角速度ωm。

[0041] 如图1所示，本实施例公开一种机器人摩擦力补偿方法，包括如下内容：

[0042] 1)获取电机角速度ωm的绝对值，送入摩擦力计算模块得到当前速度的摩擦力矩Tf；

[0043] 2)电机角速度ωm送入补偿系数调节模块，得到当前速度下设计的补偿系数k；

[0044] 3)通过摩擦力矩Tf和补偿系数k得到需要补偿的摩擦力矩Tc，Tc转换为摩擦补偿电流Ic，加入伺服速度环的输出，即加入转矩电流指令值，由此完成摩擦力矩的补偿，Tc＝kTf。

[0045] 可选的方式，1)中，通过电机编码器获得电机转子位置θm；将获取的电机转子位置θm求导得到电机角速度ωm。3)中，Tc除以转矩电流转换系数kt，转换成需要补偿的摩擦补偿电流Ic，即Ic＝Tc/Kt；或将Tc除以1.5，再除以电机极对数p，再除以电机永磁体磁链ψm，转换成需要补偿的摩擦补偿电流Ic，即

[0046] 摩擦力计算模块内含摩擦力计算模型，摩擦力计算模型有很多，大致可分为两类，一类为静态模型，如库仑摩擦模型、库伦+粘性摩擦模型、Stribeck模型等，另一类为动态模型，如Dahl模型、Bristil模型、LuGre模型等。动态模型的建模复杂，考虑的因素很多，不利于实施。本发明以静态模型中的Stribeck为例进行描述，但保护方法不仅仅局限于此一种模型，可根据需要更换为任意摩擦力模型。

[0047] 例，根据Stribeck模型建立摩擦力计算公式，Stribeck模型数学模型如下：

[0048]

[0049]

[0050] 其中Tf为实时摩擦力矩，为不含有方向的正实数，T(ω)为摩擦力矩随角速度ωm变化的关系，ωs为转折角速度，Tv为粘性摩擦系数，Te为施加在物体上的外力矩，Ts为最大静摩擦力矩，Tc为库仑摩擦力矩。当物体速度为零的时候，摩擦力矩与合外力矩等大反向，当合外力矩大于最大静摩擦力矩时，摩擦力矩等于最大静摩擦力矩并开始加速，然后遵循T(ω)的变化关系而变化。摩擦力与速度的变化关系如图2所示。

[0051] 摩擦力矩计算模块的输入为关节实时速度绝对值，根据Stribeck模型计算得到摩擦力矩输出。

[0052] 补偿系数调节模块：

[0053] 通过摩擦力计算模块得到的摩擦力补偿值若直接进行补偿，则会由于速度采样的噪声误差在零速度附近来回跳变，造成计算得到的补偿值的正负跳变，造成关节电机抖动。传统方法为在零速附近设置死区(‑ωd，ωd)以及斜坡线来避免抖动，如图3所示。但采样的电机角速度ωm会在真实值附近小范围跳变，以此带有噪声的电机速度ωm代入补偿系数曲线图3得到的k，依然会在正负死区速度±ωd处跳变，造成摩擦力补偿值的跳变，引起关节抖动。

[0054] 本发明提出一种基于滞环的摩擦力补偿系数设计方法以及其变形方案，区别与传统方案同一电机角速度ωm对应一个确定的补偿系数，滞环的补偿系数方法具有方向性，即电机角速度ωm由负到正变化和由正到负变化具有不同的补偿曲线，即同一电机角速度ωm可根据运动方向得到不同的补偿系数k，此补偿曲线根据需求可以任意变更。

[0055] 本发明提出了包括但不限于以下三种补偿方法得到当前速度下设计的补偿系数k，分别用A、B、C加以区分。

[0056] 方案A：一段式滞环补偿

[0057] 如图4所示，本方案设计了基于滞环的补偿系数方案，当速度从负到正穿越正死区速度ωd时，补偿系数由负变正；当速度从正到负穿越负死区速度‑ωd时，补偿系数由正变负。具体内容如下：

[0058] 通过如下公式，根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k，

[0059]

[0060] 其中ωd是死区角速度阈值，hold表示保持不变，即当前时刻的补偿系数与上一时刻的补偿系数历史值保持一致，以下hold均表示此含义，q可取任意正数，如0.5、0.8、1、1.5等。本申请中若有具体数值时，取q为1示例。

[0061] 方案B：两段式滞环补偿

[0062] 将上述方案A变形一下可以提高进一步提高补偿精度。如图5所示，设计了两个方向的两段式滞环补偿系数方案，当速度从负到正穿越时，在速度等于零时k由负变为0，当速度继续增大至穿越正死区速度ωd时，k由0变为1；当速度从正到负穿越时，在速度等于零时k由正变为0，当速度继续减小至穿越负死区速度‑ωd时，k由0变为‑1。这样形成了第一象限和第三象限两个滞环。具体内容如下：

[0063] 通过如下公式，根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k1，

[0064]

[0065] 其中ωd是死区角速度阈值，hold表示保持不变；

[0066] 通过如下公式，根据电机角速度ωm计算得到补偿系数k2，

[0067]

[0068] 其中ωd是死区角速度阈值，hold表示保持不变；

[0069] 将得到的k1和k2相加得到补偿系数k，即k＝k1+k2。

[0070] 方案C：两段衰减滞环补偿

[0071] 将上述的两段式滞环的补偿系数方法进一步变形，可以得到本方案，如图6所示。

[0072] 当速度从小到大变化时，补偿系数跟踪曲线为从左到右的箭头方向(包括向上的箭头)。当速度从大到小变化时，补偿系数跟踪曲线为从右到左的箭头方向(包括向下的箭头)。其中ωd是死区速度阈值，ωq是衰减退出速度，其数值均为自行设置。具体内容如下：

[0073] 根据电机角速度ωm变化趋势判断其运行方向Dir,即当ωm由小到大变化时，Dir＝1，当ωm由大到小变化时，Dir＝‑1。1和‑1代表方向的正负，不表征具体数值。

[0074] 根据电机角速度ωm，通过以下公式计算得到补偿系数k，

[0075]

[0076] 其中ωd是死区角速度阈值，ωq为退出角速度，为补偿系数初次为0对应的角速度，可根据需求衰减斜率自行设置。

[0077] 将以上两个模型计算得到的模型摩擦力矩Tf和补偿系数k相乘，得到最终的补偿摩擦力矩Tc，再除以力矩/电流转换系数kt后与速度控制器输出相加，得到最终的指令电流值，框图如图1所示。

[0078] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。