一种具有快速响应及鲁棒性能的并联机器人运动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机电控制技术领域，特别涉及并联机器人实用化过程中的控制问题。
【背景技术】
[0002] 相比于传统的串联机器人，并联机器人具有更高的运动速度、加速度、载荷质量比 以及更好的刚度，目前已被广泛应用于工业领域，典型应用包括：机床、输送机、快速拾取机 器人、医疗机器人、大型射电望远镜支撑结构。随着并联机器人的不断发展，对其运动指标 及精度提出了更高的要求，然而在实际的使用过程中，并联机器人出现了运动精度低的问 题，在加减速阶段甚至会出现振动、稳态误差，严重制约并联机器人的推广应用。
[0003] 并联机器人是复杂机电系统，因其多支链耦合的结构特点，并联机器人在运动过 程中动力学特性显著，特别是在加减速阶段会承受较大的干扰力矩，相对于传统串联机器 人，并联机器人控制问题更为复杂，因此并联机器人的高速高精度运动目标对控制方法提 出了更高的性能要求。并联机器人在不同的运动位置、不同的速度和加速度情况下，动力学 特性都会发生明显的变化，在高速、高加速运动下，动平台及各支链将产生较大的惯性力， 从而导致整体的动态特性差，控制困难，很难实现高速、高加速运动，因此难以保证运动精 度。为提高并联机器人运动精度，控制方法必须具有快速响应性能，以满足并联机器人高速 运动时的控制需求，同时控制方法还应具有鲁棒性并考虑动力学特性，保证并联机器人在 承受干扰力矩时具有较好的动态性能。传统的运动学控制方法无法提供理想的响应及鲁棒 性能，利用这样的控制方法无法补偿因动力学特性对并联机器人运动所产生的影响，而且 由于存在摩擦、间隙等非线性因素，导致控制的效果较差，轨迹跟踪精度低。
[0004]目前，并联机器人通常采用传统运动学控制方法。传统运动学控制方法将各驱动 电机转角指令与反馈值做差后，经过简单的比例放大与微分处理得到运动控制量并将其发 送给驱动器带动电机运动。运动学控制方法依靠自身响应性能保证并联机器人具有一定的 控制精度，具有结构简单的特点。但传统的运动学控制方法响应性能有限，同时该控制方法 没有考虑并联机器人运动过程中所受的干扰力矩，这种干扰力矩在并联机器人加减速运动 阶段更为明显，此外传统的运动学控制方法鲁棒性能较差，这将导致运动精度下降。因此使 用传统运动学控制方法不能进一步提高并联机器人的运动精度。
[0005] 目前还没有普遍适用于并联机器人的具有快速响应及鲁棒性能的控制方法，针对 并联机器人的特点，提出一种具有快速响应及鲁棒性能的控制方法对推广并联机器人的应 用具有重要意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种具有快速响应及鲁棒性 能的并联机器人运动控制方法，主要用来解决并联机器人现有控制方法在运动过程中所存 在的响应性能不足、鲁棒性能差、运动精度低等问题。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] -种具有快速响应及鲁棒性能的并联机器人运动控制方法，该方法包括如下步 骤：
[0009] 1)根据工况需求规划并联机器人期望轨迹，通过运动学逆解得到各驱动轴滑块的 理想位移指令，并解算出相应驱动电机的理想转角指令，该转角指令将用于得到并联机器 人各驱动电机的控制指令；
[0010] 2)采用分数阶HT控制器对驱动电机的控制指令进行处理，其具体表达式为：
[0011] Gp (s) =ΚΡ(1+Κ,8μ)
[0012] 式中Gp(S)为控制器传递函数，Kp为控制器比例增益系数，K d为控制器微分增益系 数，s是微分算子，μ为一正的非整数；首先选择理想的ω。与φ Μ，这里ω。为控制系统截 止频率，φΜ为控制系统相位裕度；为使控制系统具有快速响应及鲁棒性能，同时利用三个 频域设计约束条件：
[0013] (a)截止频率设计约束条件：
[0014]
[0015] 式中ω。为理想截止频率，截止频率直接决定控制系统响应能力，通过设计理想的 截止频率，保证系统具有快速响应性能；G(jco)为开环传递函数，I I为求模运算，j为单位 虚数，ω为频率；P(jco)为控制对象，包括驱动器及电机模型，其具体表达式为：
[0016]
[0017] 式中 a = KtKpiKpvT11Tlv, b = KtKpiKpv(TyTlv)，c = KtKpiKpv, A = JLT11Tlv, B = J(R+KP1) T11TlvC = JKpiT1^KtKeT11T 1JKtKpiKpvT11T lv, D = KtKpiKpv (Tn+Tlv)，E = KtKpiKpv. L 是电机电枢电 感，R是电机电枢电阻，心是电机电磁转矩系数，Ke是反电势系数，Kpi是驱动器电流环的比 例增益系数，K pv是驱动器速度环的比例增益系数，T "是驱动器电流环的积分时间系数，T lv 是驱动器速度环的积分时间系数；
[0018] (b)相位裕度设计约束条件：
[0019] Arg[G(j0c)] = Arg[Gp (j ωc)P (j ωc) ] = φΜ-π
[0020] 式中ΦΜ为理想相位裕度，相位裕度直接决定控制系统的稳定性及鲁棒性;Arg[] 为相位运算，表示求解相应传递函数的相位；
[0021] (C)鲁棒性设计约束条件：
[0022]
[0023] 式中d()为求导运算，将相位裕度对频率ω求导；
[0024] 3)通过光栅尺检测并反馈各驱动轴滑块的实际运动状态，并解算得到驱动电机的 实际运动转角状态；
[0025] 4)建立并联机器人动力学模型，用于得到相应的驱动力矩指令；
[0026] 5)采用动力学前馈补偿控制器，用于补偿运动过程中的干扰力矩；
[0027] 6)将各驱动轴电机的理想转角指令与实际运动转角值做差得到运动控制量，将此 运动控制量通过所述分数阶ro 11控制器发送给电机驱动器带动电机运动；同时将通过动力 学模型计算得到的驱动力矩指令经过动力学前馈补偿控制器得到补偿控制量，将此补偿控 制量发送给驱动器补偿运动过程中的干扰力矩，最终控制并联机器人运动轨迹，满足工况 需求。
[0028] 本发明的上述方法中，步骤4)中所述的并联机器人动力学模型采用如下表达式：
[0029]
[0030] 式中τ表示并联机器人在运动过程中各驱动电机的驱动力矩，M为惯量矩阵，C为 科氏力/离心力矩阵，G为重力项，#为各驱动轴滑块运动的名义速度，V为各驱动轴滑块 运动的名义加速度。
[0031] 本发明的上述方法中，步骤5)所述的动力学前馈控制器采用如下表达式：
[0032]
[0033] 式中Gf (s)为动力学前馈补偿控制器传递函数，L是电机电枢电感，Kt是电机电磁 转矩系数，Kpi是驱动器电流环的比例增益系数，T η是驱动器电流环的积分时间系数，R是 电机电枢电阻，Ν。为一小的正实数，s是微分算子。
[0034] 本发明首次结合分数阶HT控制器与动力学前馈补偿控制器，并将其用于并联机 器人控制，其具有以下优点及突出性的技术效果：通过采用分数阶HT控制器，使控制系统 具有快速响应性能，同时提高其鲁棒性能；结合动力学前馈补偿控制器，减小了干扰力矩力 矩的影响，消除跟随过程中的误差峰值及稳态误差，最终实现并联机器人的高速、高精度控 制；该控制方法可广泛用于并联机器人的运动控制中。
【附图说明】
[0035] 以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0036] 图1为一种典型并联机器人。
[0037] 图2为本发明的一种具有快速响应及鲁棒性能的并联机器人运动控制方