一种用于机器人的动态调节电机的控制方法与流程

本发明属于电机控制领域，具体说是一种用于机器人的动态调节电机的控制方法。

背景技术：

1、在机器人中的电机控制领域，由于机器人的负载不同或机器人当前位置的不同，系统在启动和停止时，往往会有启动时间长、过冲等问题，传统的增益调节方法若想保证启动时间短，则会造成过冲等问题，若想避免过冲，则会使系统启动时间增长，传统方法无法同时保证较短的启动时间和避免过冲。为了提高系统的响应，缩短系统调整时间，防止系统过冲，为此设计了一种实时调节电机运行效果的方法。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种用于机器人的动态调节电机的控制方法，该方法适用于机器人在不同应用场景。机器人运行过程包括静止阶段、启动阶段、运行阶段、停止阶段。对于启动阶段和运行阶段，要求机器人具有快速跟踪性能和高响应性能，对于静止阶段和停止阶段，要求机器人具有高稳定性，具有抵抗外界扰动的能力。某些特殊场合要求停止阶段还需具有快速整定能力，要求整定时间短。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于机器人的动态调节电机的控制方法，包括以下步骤：

3、1)实时采集电机输出信号，将实时反馈的电机输出信号作为k-1时刻的电机输入信号vin(k-1)，机器人控制器的控制指令作为k时刻的输入信号vin(k)；

4、2)构建多种不同的电机切换条件，并设置阈值系数，实现根据设定的阈值系数，选择满足要求的电机切换条件；

5、3)根据k-1时刻的电机输入信号vin(k-1)和k时刻的输入信号vin(k)，构建多种不同的控制模式；

6、4)根据机器人系统需要的应用场景，选取不同的电机切换条件，判断vin(k)与阈值系数之间的关系，并在不同的切换条件中选择满足要求的不同的控制模式；

7、5)根据相应的控制模式获取输出信号vout(k)。

8、所述步骤2)，构建多种不同的电机切换条件，具体为：

9、根据应用场景的不同，设置5个不同的切换条件，分别为：

10、切换条件a，用于表示当需要保证机器人系统在运行过程中系统稳定性；

11、切换条件b，用于表示当需要机器人系统对机器人控制器的控制指令进行快速的跟随；

12、切换条件c，用于表示需要保证机器人系统运行的平稳性，保证机器人末端的运行轨迹稳定；

13、切换条件d，用于表示当需要防止机器人系统响应滞后；

14、切换条件e，用于表示机器人系统未规定时刻到达目标位置。

15、所述步骤2)中，并设置阈值系数，实现机器人系统根据设定的阈值系数，选择满足要求的电机切换条件；具体为：

16、切换条件a：将机器人控制器的控制指令vin(k)的变化作为阈值系数；

17、切换条件b：将k*vref作为阈值系数，k表示切换等级，0<k<1；vref为目标指令，用于根据控制指令vin(k)得到控制电机的目标指令；

18、切换条件c：将k*dvref/dt作为阈值系数，k表示切换等级，0<k<1；其中，dvref/dt为目标指令的微分，用于对机器人进行平稳性判断；

19、切换条件d：将k*(vref-vrefold)作为阈值系数，k表示切换等级，0<k<1；其中，vrefold为前一时刻的目标指令；

20、切换条件e：将k*vfbk作为阈值系数，k表示切换等级，0<k<1；vfbk为实时采集的实际反馈值，包括位置、速度、电流中的某一种。

21、所述控制模式，包括：用于抑制振动的控制模式a、用于加快响应速度的控制模式b以及用于缩短整定时间的控制模式c。

22、所述步骤3)具体为：

23、控制模式a为：

24、

25、其中，vin(k)为k时刻输入信号，vin(k-1)为k-1时刻的输入，k1、i1为控制系数，vout(k)为k时刻的输出信号；

26、控制模式b为：

27、

28、其中，k2、i2为调节系数，k2>k1。

29、步骤4)中，根据机器人系统需要的应用场景，选取不同的电机切换条件，判断vin(k)与阈值系数之间的关系，并在不同的切换条件中选择满足要求的不同的控制模式；具体为：

30、当选择切换条件a时，判断机器人控制器的控制信号是否发生变化，若指令未发生变化，采用控制模式a，反之，采用控制模式b；

31、切换条件b中，判断vin(k)与k*vref之间的大小关系，若vin(k)＜k*vref，采用控制模式a，反之，采用控制模式b；

32、切换条件c中，判断vin(k)与k*dvref/dt之间的大小关系，若vin(k)＜k*dvref/dt，采用控制模式a，反之，采用控制模式b；

33、切换条件d中，判断vin(k)与k*(vref-vrefold)之间的大小关系，若vin(k)＜k*vref，采用控制模式a，反之，采用控制模式b；

34、切换条件e中，判断vin(k)与k*vfbk之间的大小关系，若vin(k)＜k*vref，采用控制模式a，反之，采用控制模式b。

35、所述切换条件还根据机器人系统的实际需要设置有迟滞时间，用于延长所述控制模式b的作用时间；当需要延长控制模式b的作用时间，设定迟滞时间以满足机器人系统的实际需要，反之，直接输出vout(k)。

36、所述步骤5)具体为：

37、当机器人系统从运行阶段切换到停止阶段时，则切换相应的控制模式进行控制，得到的输出信号vout(k)输出至机器人系统，以控制机器人系统的电机，进而对机器人系统进行动态控制；

38、反之，当机器人系统处于静止阶段或启动阶段的运行过程时，直接将输出信号vout(k)发送至机器人系统。

39、所述根据相应的控制模式获取输出信号vout(k)，具体为：

40、当机器人系统从运行阶段切换到停止阶段时，则采用切换控制模式c进行控制；其中，切换方式为：

41、设定控制模式c的控制时间，任意一种切换条件的输出信号vout(k)作为控制模式c的vin(k)；

42、当控制模式c作用时间未达到控制时间时，控制模式c得到输出信号vout(k)传输至机器人系统；

43、当控制模式c作用时间达到控制时间后，将控制模式c切换至控制模式a，控制模式c中的vin(k)切换至控制模式a中，作为控制模式a的vin(k)，得到新的输出信号vout(k)传输至机器人系统。

44、所述控制模式c，即：

45、

46、其中，k3、i3为调节系数，k1为控制系数。

47、本发明具有以下有益效果及优点：

48、1.本发明的方法实现了动态调节电机控制，提高了不同应用场合下机器人的响应性，提高了同一应用场合，不同需求时的快速性和稳定性；

49、2.本发明具备平滑性，能够实现平稳过渡，保证曲线的光滑性。同时，抑制了输出的饱和，通常应用于需要稳定运行的场合；

50、3.本发明能够快速响应，响应时间短。通常应用于需要机器人快速实现特定功能的场合；

51、4.本发明保证跟踪的及时性，避免响应滞后。通常应用于对准确性要求高的场合。

52、5.本发明根据实际反馈信号做出调节，避免机器人没有及时到达目标位置

53、6.本发明可以有效抑制机器人从静止状态到运动状态的振动；可以实现机器人从静止状态到较高速度的平稳提速，缩短调整时间；

54、7.本发明可以实现机器人在需要快速跟随时，获得更好的指令跟踪性能；

55、8.本发明可以有效控制机器人适应不同的应用场合、不同负载等级，可以根据机器人负载的变化动态调整跟随性能，使机器人性能达到最优。