一种双编码器柔性关节的振动抑制方法及控制系统与流程

本发明属于双编码器柔性关节振动抑制技术领域，尤其涉及一种双编码器柔性关节的振动抑制方法及控制系统，应用于协作机器人的双编码器柔性关节的振动抑制，同时适用于其他可以直接或者间接地测得电机端和负载端运动学信息的柔性关节系统。

背景技术：

随着社会科技的发展，人机协作机器人逐步进入工业、服务业和人们的日常生活之中，但是“振动”始终是人机协作机器人中的核心问题，对于含有双编码器柔性关节的协作机器人，振动抑制的基础主要是对其关节的振动进行抑制。在现有技术中，基于等效刚体速度的振动抑制方法，其控制系统的刚体速度是通过关节电机的输入力矩等效求得的，但是对于一些关节电机输入端没有安装相应的力矩传感器的柔性关节，该方法无法获得关节电机的输入力矩，进而无法实现对刚体速度的求解，使得基于等效刚体速度的方法无法应用到未安装输入端力矩传感器的柔性关节中，这个问题亟待解决。针对以上不足，本发明提出的方法基于柔性关节电机端和负载端的运动学信息进行加权求和得到等效刚体速度，在刚体速度的基础上，通过刚体速度与振动速度的误差反馈来修正速度控制器的输入，以增大被控系统阻尼来对振动进行抑制。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种双编码器柔性关节的振动抑制方法及控制系统，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种双编码器柔性关节的振动抑制方法，其特征在于，所述振动抑制方法包括：

基于传感器测量电机端速度和负载端速度；

基于刚体速度求解器根据所述传感器测得的电机端速度和负载端速度计算得到刚体速度；

基于频率筛选器将所述电机端速度或所述负载端速度与所述刚体速度的误差经过频率筛选后得到特定频率区间的纯振动速度，并将所述纯振动速度反馈到所述速度控制器的输入；

基于速度控制器的电机端速度或负载端速度反馈，利用频率筛选器反馈的纯振动速度来修正速度控制器的输入信号，从而得到修正后的速度控制器输出，即电机输入力矩，并将所述电机输入力矩作为双编码器柔性关节的输入；

所述振动抑制方法通过修正所述速度控制器的输入信号来实现对柔性关节的振动抑制。

本发明实施例一方面还提供了一种双编码器柔性关节的振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统包括：用于测量电机端速度和负载端速度的传感器、刚体速度求解器、频率筛选器和速度控制器；

所述刚体速度求解器用于根据所述传感器测得的电机端速度和负载端速度计算得到刚体速度；

所述频率筛选器用于将所述电机端速度或所述负载端速度与所述刚体速度的误差经过频率筛选后得到特定频率区间的纯振动速度，并将所述纯振动速度反馈到所述速度控制器的输入；

所述速度控制器，基于速度控制器的电机端速度或负载端速度反馈，利用频率筛选器反馈的纯振动速度来修正速度控制器的输入信号，从而得到修正后的速度控制器输出，即电机输入力矩，并将所述电机输入力矩作为双编码器柔性关节的输入；

所述系统通过修正所述速度控制器的输入信号来实现对柔性关节的振动抑制。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)本发明实施例一方面提供了一种双编码器双质量系统的柔性关节的振动抑制方法，基于关节的双编码器结构特点，利用电机端增量式编码器和负载端绝对式编码器计算等效的刚体速度，不需要利用额外的传感器；

(2本发明实施例一方面提供了一种双编码器双质量系统的柔性关节的振动抑制方法，控制器设计简单，在保证不损失系统控制带宽的基础上，只增加了一个控制参数就可以进一步对振动进行有效抑制，便于工程应用和实现；

(3)本发明实施例一方面提供了一种双编码器双质量系统的柔性关节的振动抑制方法，需要对系统的动力学模型进行辨识，同时系统模型辨识的精度决定该方法的振动抑制效果。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中控制算法流程示意图；

图2是本发明一典型实施案例中刚体速度求解器示意图；

图3是本发明一典型实施案例中频率筛选器示意图；

图4是本发明一典型实施案例中一种基于电机端速度反馈方法示意图；

图5是本发明一典型实施案例中一种基于负载端速度反馈方法示意图；

图6是本发明一典型实施案例中速度反馈控制与本发明方法控制效果比较图(基于电机端速度反馈控制方法的电机端速度振动抑制)；

图7是本发明一典型实施案例中速度反馈控制与本发明方法控制效果比较图(基于电机端速度反馈控制方法的负载端速度振动抑制)。

图8是本发明一典型实施案例中速度反馈控制与本发明方法控制效果比较图(基于负载端速度反馈控制方法的电机端速度振动抑制)；

图9是本发明一典型实施案例中速度反馈控制与本发明方法控制效果比较图(基于负载端速度反馈控制方法的负载端速度振动抑制)。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是提出了一种双编码器柔性关节振动抑制的方法及控制系统，所述振动抑制方法通过纯振动信号的反馈，修正速度控制器的输入以增加被控系统阻尼的方式来实现振动抑制(如图1所示)。所述振动抑制方法包括：分别通过电机端编码器和负载端编码器测得电机端和负载端的角位移信号，再分别经微分处理后获得电机端和负载端的角速度(之后将电机端角速度和负载端角速度分别简称为电机端速度和负载端速度)；将电机端速度和负载端速度经过刚体速度求解器之后得到刚体速度(如图2所示)；将所获刚体速度与电机端速度的误差，或者刚体速度与负载端速度的误差，经过频率筛选器之后得到特定频率区间的纯振动速度(如图3所示)反馈到速度控制器的输入，通过修正速度控制器的输入信号，以增大被控系统阻尼，从而实现振动抑制。在本发明中，分别提出了基于电机端速度反馈(如图4所示)和基于负载端速度反馈(如图5所示)的振动抑制方法。

本发明为协作机器人的双编码器柔性关节的振动抑制提供了一种有效的新方法，同时该方法可以拓展应用到电机端速度和负载端速度均可测的任意关节。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

一方面，本发明实施例提供了一种双编码器柔性关节的振动抑制方法，其特征在于，所述振动抑制方法包括：

基于传感器测量电机端速度和负载端速度；

基于刚体速度求解器根据所述传感器测得的电机端速度和负载端速度计算得到刚体速度；

基于频率筛选器将所述电机端速度或所述负载端速度与所述刚体速度的误差经过频率筛选后得到特定频率区间的纯振动速度，并将所述纯振动速度反馈到所述速度控制器的输入；

基于速度控制器的电机端速度或负载端速度反馈，利用频率筛选器反馈的纯振动速度来修正速度控制器的输入信号，从而得到修正后的速度控制器输出，即电机输入力矩，并将所述电机输入力矩作为双编码器柔性关节的输入；

所述振动抑制方法通过修正所述速度控制器的输入信号来实现对柔性关节的振动抑制。

进一步地，被控对象关节在电机端和负载端均安装有传感器，所述传感器指任何可以直接或者间接地测得电机端和负载端的运动学信息，所述运动学信息指关节的角位移或者角速度。

进一步地，所述刚体速度是由电机端速度和负载端速度加权求和得到的，电机端速度的权重是电机端惯量与总惯量的比值，负载端速度的权重是负载端惯量与总惯量的比值，所述总惯量为电机端惯量与负载端惯量之和。

进一步地，所述频率筛选器包括高通滤波器、低通滤波器和增益调节器；所述高通滤波器和低通滤波器的截止频率设置为需要抑制的振动频率的一定范围内，从而使所述高通滤波器和所述低通滤波器形成带通滤波器；所述增益调节器用于对形成的所述带通滤波器的幅值比进行调整，将需要抑制的振动频率的幅值比保证为0db附近，同时其相位无超前和滞后，这样筛选出来的纯振动信号中的频率成分主要是对应0db附近的振动频率。

进一步地，所述速度控制器基于电机端速度反馈时，从输入到输出的传递函数pm(s)的表达式如下式：

所述速度控制器基于负载端速度反馈时，从输入到输出的传递函数pl(s)的表达式如下式：

其中，c为速度控制器的控制参数；ωr为被控对象的系统谐振点频率，即双编码器柔性关节的系统谐振点频率；ωa为被控对象的系统反谐振点频率，即双编码器柔性关节的系统反谐振点频率；s为所述传递函数在拉普拉斯域中的变量；k为频率筛选器中的增益调节器，即纯振动信号的反馈增益。

另一方面，本发明实施例提供了一种双编码器柔性关节的振动抑制系统，其特征在于，所述振动抑制系统包括：用于测量电机端速度和负载端速度的传感器、刚体速度求解器、频率筛选器和速度控制器；

所述刚体速度求解器用于根据所述传感器测得的电机端速度和负载端速度计算得到刚体速度；

所述频率筛选器用于将所述电机端速度或所述负载端速度与所述刚体速度的误差经过频率筛选后得到特定频率区间的纯振动速度，并将所述纯振动速度反馈到所述速度控制器的输入；

所述速度控制器，基于速度控制器的电机端速度或负载端速度反馈，利用频率筛选器反馈的纯振动速度来修正速度控制器的输入信号，从而得到修正后的速度控制器输出，即电机输入力矩，并将所述电机输入力矩作为双编码器柔性关节的输入；

所述系统通过修正所述速度控制器的输入信号来实现对柔性关节的振动抑制。

进一步地，被控对象关节在电机端和负载端均安装有传感器，所述传感器指任何可以直接或者间接地测得电机端和负载端的运动学信息，所述运动学信息指关节的角位移或者角速度。

进一步地，所述刚体速度是由电机端速度和负载端速度加权求和得到的，电机端速度的权重是电机端惯量与总惯量的比值，负载端速度的权重是负载端惯量与总惯量的比值，所述总惯量为电机端惯量与负载端惯量之和。

进一步地，所述频率筛选器包括高通滤波器、低通滤波器和增益调节器；所述高通滤波器和低通滤波器的截止频率设置为需要抑制的振动频率的一定范围内，从而使所述高通滤波器和所述低通滤波器形成带通滤波器；所述增益调节器用于对形成的所述带通滤波器的幅值比进行调整，将需要抑制的振动频率的幅值比保证为0db附近，同时其相位无超前和滞后，这样筛选出来的纯振动信号中的频率成分主要是对应0db附近的振动频率。

进一步地，所述速度控制器基于电机端速度反馈时，从输入到输出的传递函数pm(s)的表达式如下式：

所述速度控制器基于负载端速度反馈时，从输入到输出的传递函数pl(s)的表达式如下式：

其中，c为速度控制器的控制参数；ωr为被控对象的系统谐振点频率，即双编码器柔性关节的系统谐振点频率；ωa为被控对象的系统反谐振点频率，即双编码器柔性关节的系统反谐振点频率；s为所述传递函数在拉普拉斯域中的变量；k为频率筛选器中的增益调节器，即纯振动信号的反馈增益。

(一)控制器设计：

与传统的速度控制器相比，本发明中基于电机端速度反馈的方法，是在电机端速度反馈的基础上，将电机端速度中的纯振动速度(纯振动速度是电机端速度与理想的刚体速度之差)反馈到速度控制器的输入，从而修正速度控制器的输入信号，增加了系统的阻尼项，可以对振动进行有效抑制。

这里通过两者的传递函数来表示单独使用传统的速度反馈控制和本发明方法的区别。传递函数的输入为期望速度与电机端速度的误差，输出为电机端速度，这里的传递函数是在拉普拉斯变换后的拉普拉斯域中表示。

单独使用传统的速度反馈控制从所述输入到输出的传递函数pm(s)如式(1)：

本发明中基于电机端速度反馈的方法从所述输入到输出的传递函数pm(s)如式(2)：

式中，c为速度控制器的控制参数，ωr为被控对象(此处为双编码器柔性关节)的系统谐振点频率，ωa为被控对象(此处为双编码器柔性关节)的系统反谐振点频率，s为所述传递函数在拉普拉斯域中的变量，k为频率筛选器中的增益调节器，即纯振动信号的反馈增益。

由传递函数(1)(2)可知，本发明基于电机端速度反馈的方法相较于传统的速度反馈控制方法，增加了系统阻尼项k·c·(ωr²/ωa²-1)·s，即它是通过增大系统阻尼的方式进一步对振动进行抑制。

同理，比较传统的速度控制器与本发明中基于负载端速度反馈的方法，传递函数的输入为期望速度与负载端速度的误差，输出为负载端速度。

单独使用传统的速度反馈控制从所述输入到输出的传递函数pl(s)如式(3)：

本发明中基于负载端速度反馈的方法从所述输入到输出的传递函数pl(s)如式(4)：

式中，c为速度控制器的控制参数，ωr为被控对象(此处为双编码器柔性关节)的系统谐振点频率，s为所述传递函数在拉普拉斯域中的变量，k为频率筛选器中的增益调节器，即纯振动信号的反馈增益。

由传递函数(3)(4)可知，本发明基于负载端速度反馈的方法相较于传统的速度反馈控制方法，增加了系统阻尼项-k·c·s，当k取负时，该反馈方法也是通过增大系统阻尼的方式来对振动进行抑制的。

(二)刚体速度求解器设计：

本发明的方法相较于传统的速度控制方法的本质区别是增加了纯振动信号的反馈，可以对速度控制器的输入信号进行修正，那么求解纯振动信号的关键是先将刚体速度求解出来，因此，如何获得刚体速度是本方法的另一个关键点。在本发明的实施例中，关节结构含电机端编码器和负载端编码器，这里，刚体速度通过电机端速度(电机端编码器测量得到)和负载端速度(负载端编码器测量得到)的加权求和得到，电机端速度的权重为电机端阻尼与总阻尼之比，负载端速度的权重为负载端阻尼与总阻尼之比，所述总阻尼为电机端阻尼与负载端阻尼之和，示意图如图2。

(三)频率筛选器设计：

频率筛选器如图3所示，包含一个高通滤波器，一个低通滤波器和一个增益调节器。取高通滤波器和低通滤波器的截止频率在被控系统(此处为双编码器柔性关节系统)的谐振频率一定范围内，在本实施例中取谐振频率±2hz范围内，从而构成一个带通滤波器，通过增益调节器对构造的带通滤波器的幅值比进行调整，将需要抑制的振动频率的幅值比调整到为0db，同时保证振动频率的相位没有超前和滞后，这样纯振动信号中就只含有0db附近的频率成分，即所述的特定频率区间。

(四)控制效果对比：

采用电机端速度反馈，比较传统的速度反馈控制方法(图6-7中的点划线)和本发明的控制方法(图6-7中的粗实线)对振动的抑制效果。在保证两者相同的控制带宽前提下，分别将负载端速度的振动抑制到期望阶跃速度10％以内的振动区间(图6-7中的细实线标注)，本发明方法的稳定时间可以比传统的速度反馈控制方法所用时间减小40％，说明对振动抑制的作用有效提高。

采用负载端速度反馈，比较传统的速度反馈控制方法(图8-9中的点划线)和本发明的控制方法(图8-9中的粗实线)对振动的抑制效果。在保证两者相同的控制带宽前提下，分别将负载端速度的振动抑制到期望阶跃速度10％以内的振动区间(图8-9中的细实线标注)，本发明方法的稳定时间可以比传统的速度反馈控制方法所用时间减小60％，说明对振动抑制的作用有效提高。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。