[发明专利]一种工业机器人停止过程段的振动抑制方法

说明书

本发明公开了工业机器人停止过程段的振动抑制方法，从信号系统的角度出发，对各关节端直接规划，以所设计轨迹的离散傅里叶变换幅域为目标函数，使所规划减速段轨迹中的各具体关节端主共振频率的幅值占比最小。同时使得该目标函数满足确保轨迹的二阶连续性(c2)和保证速度的单调性及最大加速度限幅的约束条件，最后通过凸优化的方法获取轨迹参数进而实时插补完成停止运动。本发明方法方法，直接对各关节加速度轨迹进行优化，使得频域内该共振点附近的幅值占比最小，进而实现主动振动抑制。同时，该方法可减少因逆解计算负载所致延时，避免整形或陷波等所致时滞，严格保证预设的停止时间机运行距离，保障人员及设备安全。

技术领域

本发明涉及一种工业机器人振动抑制方法，具体说是一种工业机器人停止过程段的振动抑制方法。

背景技术

随着自动化技术的逐步积累，各大厂商所推出的工业机器人不仅种类丰富，同时性能也日趋完善。其中，无论出于安全考虑或工艺要求，工业机器人的停止机制都会是衡量机器人性能优劣的关键指标之一。

机器人从高速运行状态快速切换至停止状态，如碰撞检测后的处理或急停按钮的触发等，不仅运行过程中易产生较大抖动，同时还会伴随明显残余振动，对人员及设备造成严重安全威胁。

针对机器人的振动抑制，从控制算法的角度而言，已取得丰硕的成果，如中国发明专利文献《一种工业机器人振动抑制方法》(CN109799701A),利用位置偏差对所产生振动进行迭代学习，以位置控制，速度前馈的方式进行振动抑制；中国发明专利文献《一种柔性机器人关节伺服系统的振动抑制方法》(CN110071676A)，则采用速度环控制和参数自适应控制器代替传统的速度环控制器，使该控制结构可基于关节状态反馈和控制参数反馈生产转矩信号驱动关节运动，进而抑制柔性机械振动；其他诸如输入整形，加加速限制或优化及基于模型补偿等方法也都有深入的研究及广泛应用。然而，针对时效及距离要求极其严格的停止过程，目前通常仅作为一般工况处理，上述方法势必造成或时滞或由末端逆解至关节端的延时问题等。

发明内容

本发明主要目的在于，弥补现有技术存在的技术空白，提出一种工业机器人停止过程段的振动抑制方法，针对时效及距离要求极其严格的停止过程，基于各关节主共振频率，直接对各关节加速度轨迹进行优化，使得频域内该共振点附近的幅值占比最小，进而实现主动振动抑制。同时，该方法可减少因逆解计算负载所致延时，避免整形或陷波等所致时滞，严格保证预设的停止时间机运行距离，保障人员及设备安全，为机器人特别是性能要求苛刻的停止段的振动抑制提供一种行之有效的新方法。

本发明从信号系统的角度出发，为达到振动抑制及高时效的目的，对各关节端直接规划，并为使所规划减速段轨迹中的各具体关节端主共振频率的幅值占比最小，以所设计轨迹的离散傅里叶变换幅域为目标函数，同时，为确保轨迹的二阶连续性(c2)，同时还应保证速度的单调性及最大加速度限幅，使得该目标函数受约束于上述条件，最后通过凸优化的方法，如原对偶内点法，或粒子群等方式获取轨迹参数进而实时插补完成停止运动。

本发明的基本思路是：从凸优化的角度，本发明所提出的方法在设计上可分为两大部分：目标函数的设计及约束条件的确定。针对目标函数的设计，采用高次多项式对所期望减速轨迹进行优化，为确保可优化，这里的高次多项式的二次导一般不应低于7次。对所设计高次多项式进行时限的离散傅里叶数值计算：

其中，f”(nτ)为所设计轨迹的二次导部分，N为轨迹时长计数，n为采样序列，τ为采样时间，j是虚数单位，w_k是离散频率采样，F(n)即为f(nτ)的时限傅里叶变换的计算方法，对频率ω₁至ω₂段进行取样:

定义目标函数为其二范数的平方：

针对约束条件的设计，为保证轨迹的二阶连续性，应满足