[发明专利]消除惯量变化的机器人控制方法

说明书

本发明公开消除惯量变化的机器人控制方法，首先针对机器人每个关节的闭环控制系统，计算各机械臂的等效转动惯量并分成转动惯量不变量和转动惯量变化量；以当前关节等效转动惯量与转动惯量不变量比值为增益，将当前关节控制系统输出的控制量进行放大；然后根据转速和阻尼计算控制量放大导致的阻尼力变化量，并与控制量和角度一起输入给扩展观测器估计的其余扰动，补偿到放大后的控制量中，获得消除转动惯量影响的控制量；最终机器人的关节控制系统等效为惯量定常系统，最后对控制参数进行整定，获得最优控制性能。本发明将扰动量测和估计结合在一起，避免了高频扰动信号估计带来的噪声干扰，方便地实现机器人等空间机构的高速精密运动控制。

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及消除惯量变化的机器人控制方法。

背景技术

现有的工业中，90％以上的控制系统都是采用PID控制算法，并且机器人也是大部分采用PID控制算法。由于空间机构在运动过程中，关节相互耦合将会导致关节的等效转动惯量随位置姿态发生变化，这样使得固定参数的PID控制性能变差，进而导致模糊、智能、鲁棒控制方法的算法变得更加复杂且难于进行高速精密的运动控制。

自抗扰控制算法(ADRC)是消除扰动的一种有效方法，通过将模型误差和外界扰动进行统一考虑，从而能够在一定程度上抑制扰动。然而由于受限于观测器带宽和控制系统带宽，使得应用比较困难。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种消除惯量变化的机器人控制方法，旨在方便地实现机器人等空间机构的高速精密运动控制。

为实现上述目的，本发明提出的消除惯量变化的机器人控制方法，具体包括以下步骤：

S1：按照机器人的运动规划为目标，关节位移和速度为反馈，搭建好机器人每个关节的闭环控制系统；

S2：计算各机械臂的等效转动惯量，并将等效转动惯量分解为转动惯量不变量和转动惯量变化量；

S3：以当前关节的等效转动惯量与转动惯量不变量的比值为增益，将当前关节控制系统输出的控制量进行放大；

S4:将反馈的关节角速度乘于转动阻尼的影响，获得量测扰动；

S5:将S4获得的量测扰动，与控制量和转角信号一起输入扩张状态观测器，估计扰动z₂；

S6:将所述S4获得的量测扰动和所述S5获得的估计扰动进行求和，并乘于控制量到转动力矩传递函数的倒数，补偿到所述S3获得的控制量中，获得消除转动惯量影响的控制量；

S7：通过所述S3～S6，机器人的关节控制系统等效为惯量定常系统，最后对控制参数进行整定，获得最优控制性能。

优选地，所述S2中的等效转动惯量分为不变量部分J_i0和变化量部分ΔJ_i。

优选地，所述S3中的增益为转动惯量不变量J_i0与转动惯量变化量ΔJ_i之和，即J_i0+ΔJ_i，再除以转动惯量不变量J_i0得到的数值，即

优选地，关节的所述转动惯量不变量J_i0包括关节本身的转动惯量J_i+m_ir_i²与关联关节绕各自质心的转动惯量之和，即其中J_i为第个关节绕自身质心的转动惯量，n为关节总数，r_i为关节质心到旋转中心的距离。

优选地，关节的所述转动惯量变化量部分包括关联关节的质量m_i乘以该质心到关节转动中心线的距离的平方r_i²得到的数值之和，即