本发明涉及工业机器人智能控制技术领域，尤其涉及一种工业机器人柔性伺服控制方法。
背景技术：
近年来，随着工业自动化程度的逐渐提高，工业机器人的应用领域从汽车、电子电器、机械等行业不断向其他应用领域发展，成为了许多工业场合中不可或缺的一部分。传统的工业机器人控制建立在位置控制的基础上，即控制机器人去跟踪某一预定的轨迹。这样的控制模式方法能够使机器人能够胜任大部分的轨迹跟踪任务，但是对于越来越多的应用场景，尤其是紧公差装配和工件精加工等小范围高精度作业任务，由于工件安装位置等一系列不确定因素，位置控制将很难胜任。因此，现代工业对机器人的应用柔性和响应敏感性提出了更高要求。目前存在的很多方法通过安装外部传感器，例如力传感器或视觉系统来监控机器人与外部环境的接触状态，同时不断修改微小的位置不确定性偏差来实现小范围高精度作业。
目前的这些控制方法，虽然能够使机器人在大范围远距离作业中可以取得比较好的应用效果，但是存在以下几方面的不足：1)为了达到跟踪的高精度和快速性要求，往往需要伺服控制系统有很强的刚度，即比较高的闭环反馈增益，否则将会出现比较大的跟踪误差以及响应延迟，但是这种高刚度的伺服控制系统顺应外部环境的能力很差，如果轨迹规划存在误差或者运动路径上存在障碍物，那么机器人会以较大的力冲撞工作平台或者障碍物，造成对工件甚至是机器人的破坏。2)额外的传感器以及控制软件包不可避免的造成了机器人控制系统更高的复杂性，更昂贵的制造成本，甚至是更低的有效载荷，这与低成本小负载机器人的设计理念严重背离。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种工业机器人柔性伺服控制方法，用以克服现有技术的技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种工业机器人柔性伺服控制方法，包括：
步骤a，建立动力学补偿模型，采用递归牛顿欧拉逆动力学算法进行关节重力补偿，使关节处于重力平衡状态；
步骤b，建立摩擦力补偿模型，其中，在静止状态下，通过力前馈给关节附加一个幅值接近于静摩擦界的高频抖动信号的方式建立模型；
步骤c，抖振信号设计，采用闭环积分控制，使电机位置抖振幅值跟踪参考抖振幅值，其中：抖振信号发生器产生一个周期性的抖振信号；振动幅值由采集到的关节位置信息估计得到；闭环积分输出一个乘子用以控制放大抖振信号的振动幅值；
步骤d，积分反馈残留值补偿，通过切换过渡过程对积分残留值进行补偿。
进一步地，在上述步骤a中，包括：
步骤a1，计算每一节机械臂的速度和加速度；
步骤a2，计算每一节机械臂实现加速度所需要的力；
步骤a3，计算每一节机械臂实现重力补偿所需要关节电机提供的力；
其中：
进一步地，在上述步骤a3中，
关节速度
式中，klp表示转换系数，其中，q表示关节位置，通过电机编码器获取，。
进一步地，在上述步骤c中，在静止状态下，通过力前馈给关节附加一个幅值接近于静摩擦界的高频抖动信号，当外部力与高频抖动信号相应的正或负半周期叠加后让机械臂运动起来，之后利用运动状态的摩擦力补偿方法进行补偿，
其中：
进一步地，上述步骤d包括：
步骤d1，切换时刻，将比例系数置零，保留或适当增加积分系数，并将参考位置指令设为当前位置，加入抖振闭环；
步骤d2，等待系统稳定，此时积分器残留值即等于重力补偿值，这一过程定义为过渡过程；
步骤d3，将积分系数置零，设置位置参考值及比例增益，保留抖振闭环，实现柔顺控制切换。
与现有技术相比本发明的有益效果在于，本发明提出了一种适用于通用工业机器人控制系统的柔性伺服控制方法，通过动力学模型和递归求解算法，结合机器人自身关节电机采集的位置、速度等信息，完成重力、摩擦力等关节运动过程中需克服的驱动力补偿。在接近静止的状态下，则通过闭环抖振控制，实现静摩擦力的补偿。在达成这些力补偿的条件下，大幅度降低位置闭环控制回路增益，使机器人处于接近自由运动的状态，以提高工业机器人对外部环境的顺应能力。这种简单的机器人柔性伺服控制方法在不需要提高装配成本的情况下，能够广泛的应用在小范围高精度作业场景中。
进一步地，采用柔性伺服控制的方法，提高了工业机器人顺应外部环境的能力，并且无需配置额外的传感器，制造成本低，设计过程简单，负载能力损失小。
进一步地，采用的抖振力矩前馈设计方法，可有效降低摩擦力死区内克服库伦摩擦的牵引力，增加外力敏感性的同时避免了脱离静止状态时刻的冲击，从而提高了小范围移动的精度。
进一步地，采用的闭环抖振信号设计方法，实现抖振幅值的自动调整，使控制过程不再依赖于不确定的库伦摩擦系数；
进一步地，采用的积分反馈残留值补偿方法，有效的实现了刚柔切换过程中的积分器清零，降低了对伺服系统内部的状态观测需求。
附图说明
图1为本发明实施例的工业机器人柔性伺服控制方法的框图；
图2为本发明实施例的工业机器人各种力的时间与力矩关系图；
图3为本发明实施例的工业机器人的闭环抖振结构的框图；
图4为本发明实施例的工业机器人积分反馈残留值补偿的框图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术座椅机构员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术座椅机构而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1所示，其分别为本发明工业机器人柔性伺服控制方法的框图，本实施例的控制过程包括：
步骤a，建立动力学补偿模型；采用递归牛顿欧拉逆动力学算法进行关节重力补偿，使关节处于重力平衡状态。
实现步骤如下：
步骤a1，计算每一节机械臂的速度和加速度；
步骤a2，计算每一节机械臂实现加速度所需要的力；
步骤a3，计算每一节机械臂实现重力补偿所需要关节电机提供的力；
其中：
其中，关节位置q通过电机编码器获取，关节速度
式中，klp表示转换系数。
步骤b，建立摩擦力补偿模型；在静止状态下，通过力前馈给关节附加一个幅值接近于静摩擦界的高频抖动信号的方式建立模型。
在运动状态下，摩擦力的补偿只需要附加一个与速度方向相同的电机补偿力，这个补偿力的大小近似为线性模型描述的粘滞摩擦和库伦摩擦之和。然而在静止状态下，库伦摩擦力在一个区间内变化，其大小和方向很难确定，而机械臂的运动必须要克服这部分摩擦力，这就导致了柔性伺服状态下由静到动需要比较大的环境力去克服库伦摩擦，从而降低了机械臂对外部环境的敏感性，即当环境力比较小的时候，机械臂无法做出响应，产生相应的运动。对于提高机械臂对外部力的敏感性，本实施例采用了抖振控制的方法，即在静止状态下，通过力前馈给关节附加一个幅值接近于静摩擦界的高频抖动信号，当外部力与高频抖动信号相应的正(负)半周期叠加后很容易让机械臂运动起来，结合图3所示，之后便可以利用运动状态的摩擦力补偿方法进行补偿，即下式所示。
其中：
步骤c，抖振信号设计；
由于环境变化，运动状态变化会导致摩擦系数辨识的不准确，抖振信号的幅值很难固化，因此设计闭环抖振实现抖振幅值的自动调整，设计框图如图3所示，其设计原理为采用闭环积分控制，使电机位置抖振幅值跟踪参考抖振幅值。其中：抖振信号发生器产生一个周期性的抖振信号；振动幅值由采集到的关节位置信息估计得到；闭环积分输出一个乘子用以控制放大抖振信号的振动幅值。
步骤d，积分反馈残留值补偿，通过切换过渡过程对积分残留值进行补偿；
若由高速的刚性运动状态切换到柔性运动状态，切换时刻位置闭环增益大幅度降低，但闭环积分器仍保留当前时刻积分值，如何抵消这部分积分值是切换的关键。本实施例通过引入如图4所示的过渡过程来实现积分残留值的补偿。具体步骤如下：
步骤d1，切换时刻，将比例系数置零，保留或适当增加积分系数，并将参考位置指令设为当前位置，加入抖振闭环；
步骤d2，等待系统稳定，此时积分器残留值即等于重力补偿值，这一过程定义为过渡过程；
步骤d3，将积分系数置零，设置位置参考值及比例增益，保留抖振闭环，实现柔顺控制切换。
本实施例通过采用柔性伺服控制的方法，提高了工业机器人顺应外部环境的能力，并且无需配置额外的传感器，制造成本低，设计过程简单，负载能力损失小；
采用的抖振力矩前馈设计方法，可有效降低摩擦力死区内克服库伦摩擦的牵引力，增加外力敏感性的同时避免了脱离静止状态时刻的冲击，从而提高了小范围移动的精度；
采用的闭环抖振信号设计方法，实现抖振幅值的自动调整，使控制过程不再依赖于不确定的库伦摩擦系数；
采用的积分反馈残留值补偿方法，有效的实现了刚柔切换过程中的积分器清零，降低了对伺服系统内部的状态观测需求。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术座椅机构容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术座椅机构可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。