[发明专利]一种环形耦合型多轴机器人系统的同步控制方法

说明书

技术领域

本发明属于多轴机器人控制领域，涉及一种环形耦合型多轴机器人系统的同步控制方法，特别是针对控制参数不确定和结构复杂的多轴机器人系统的同步控制和跟踪控制。

背景技术

机器人系统是一个强非线性、强耦合的高度复杂系统，具有多输入多输出的特性，存在许多的不确定性及不利于系统性能提高的因素。现在工业中机器人常用于弧焊、切割、装配等对轨迹跟踪和运行平稳性要求极高的场合，对机器人的最大工作速度、加速度、轨迹精度等性能指标要求越来越高。工业机器人大多数采用独立关节的控制，未考虑被控对象的非线性和关节间的耦合作用，这使得机器人很难达到精确的轨迹跟踪。因此，一个好的同步控制器对多轴机器人系统的轨迹跟踪具有十分重要的意义。

在多轴伺服系统控制领域，有许多同步控制的方法被应用于多轴机器人系统上，如：并行同步控制、主从控制、虚拟总轴控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制、相邻耦合控制和环形耦合控制等。以上提到的同步控制策略中，环形耦合控制是基于耦合补偿原理与同一给定控制相结合的思想形成的，同步误差的反馈与补偿仅在相邻两轴之间进行，使得每一个轴的跟踪误差最终收敛到零，也使得每一个轴与其相邻两轴的同步误差也最终收敛到零。传统的同步控制结构复杂，难以控制。与其他同步控制方法比较，环形耦合同步控制的补偿模块只根据相邻两轴的同步误差确定一个轴的补偿量，补偿器的复杂程度不随轴的数量的增加而改变。因此，环形耦合同步控制具有更好的同步性能，以及更高的轨迹跟踪精度。

用于多轴机器人系统的控制器，一般工业机器人常采用PID(比例、积分、微分)控制器，在投入使用PID控制器前，需要对PID控制器的内置参数进行整定，现有整定方法存在如下问题：对于多轴机器人控制系统中的同步控制器，只能进行单独的整定，但是多轴机器人系统中，由于多轴在一起协同工作，各轴的输出是相互影响的。因此，现有的单独整定方式无法兼顾各轴之间的关联性，导致多轴机器人控制系统的同步性较差。

发明内容

为了解决控制参数不确定和结构复杂的多轴机器人系统的同步控制和跟踪控制，使每一个轴都能够稳定的跟踪上给定的信号并保持相同的速度运行，本发明提供了一种环形耦合型多轴机器人系统的同步控制方法。该方法基于非线性自适应模糊PID算法设计多轴机器人系统跟踪控制器，并将环形耦合策略和自适应模糊PID相结合设计多轴机器人系统的同步控制器，使系统具有高精度的轨迹跟踪能力。

解决上述问题提出的设计方案如下：

一种环形耦合型多轴机器人系统的同步控制方法，包括如下步骤：

步骤1，建立多轴机器人系统的动力学模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下：

1.1多轴机器人系统的动力学模型表示如下：

其中，和为机器人轴的速度，为机器人轴的加速度，为加速度惯量项，为向心力和哥氏力项，D_i为重力项，τ为各轴的力或者力矩。

式(1)被化简为如下的形式：

其中，M(q)为对称正定惯性矩阵，为向心力和哥氏力矩阵，G为重力矩阵。

1.2，对于环形耦合控制来说，位置误差(跟随误差)被定义为：

e(t)＝q(t)-q^d(t) (3)

其中，e(t)为机器人控制过程中的位置误差，是指实际位置q(t)与期望位置q^d(t)之差。

位置的同步误差被定义为：

ε_i(t)＝2e_i(t)-(e_i+1(t)+e_i-1(t))(4)

其中，ε_i(t)代表多轴控制系统中第i轴的同步误差。

环形耦合同步误差被定义为：

其中，ε_i(t)代表多轴控制系统中第i轴的同步误差。

ε＝Te(6)

其中，为多轴同步误差矩阵，为同步变换矩阵，为多轴位置误差矩阵；

多轴同步控制的目标是使同步误差ε_i(t)为零，即；

e₁(t)＝e₂(t)＝…＝e_n(t) (7)

将位置误差和同步误差结合起来，耦合误差被定义为：

E_i＝e_i+λ_iε_i＝(I+λ_iT)e_i(8)