本發(fā)明涉及機(jī)器人，尤其涉及一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)及補(bǔ)償控制方法、機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、隨著人們對(duì)機(jī)器人的需求增加，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，已被廣泛應(yīng)用于打磨、拋光、裝配等多個(gè)領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制，必須考慮機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行位置控制或力矩控制。通過對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)可以快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，降低超調(diào)量，抑制運(yùn)動(dòng)振動(dòng)，從而提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制精度。

2、機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是通過rv減速器或諧波減速器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到機(jī)械臂的，但由于減速器各運(yùn)動(dòng)部件之間存在摩擦，因此在建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程時(shí)，必須考慮關(guān)節(jié)傳動(dòng)中的摩擦力?，F(xiàn)有技術(shù)辨識(shí)得到的摩擦參數(shù)是固定的，而且需要針對(duì)不同工況作辨識(shí)，需要耗費(fèi)大量時(shí)間，而且由于摩擦模型的復(fù)雜特性，計(jì)算得到的摩擦力矩精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)及補(bǔ)償控制方法、機(jī)器人，通過實(shí)時(shí)更新摩擦參數(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的摩擦模型，預(yù)測(cè)摩擦力矩能夠更加貼近實(shí)際摩擦力矩，有助于構(gòu)建出更為精確的動(dòng)力學(xué)模型，提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明第一方面公開了一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)方法，所述方法包括：

3、s1.根據(jù)當(dāng)前k時(shí)刻的機(jī)器人關(guān)節(jié)的軌跡信息q(k)、來計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的整體回歸矩陣φb(k)和摩擦回歸矩陣φf(k)：其中，q、分別為機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度矢量，φb(k)為φf(k)為

4、s2.計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的增益矩陣k(k)，公式如下：

5、

6、式中，φf(k-1)為上一時(shí)刻計(jì)算得到的摩擦回歸矩陣，i為單位對(duì)角矩陣，為φf的轉(zhuǎn)置矩陣，p(k-1)是上一時(shí)刻的協(xié)方差矩陣；

7、s3.計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)摩擦力矩τf(k)，公式如下：

8、

9、式中，τ(k)為當(dāng)前時(shí)刻的關(guān)節(jié)力矩，φb(k)為當(dāng)前時(shí)刻的整體回歸矩陣，βib為慣性基礎(chǔ)參數(shù)；

10、s4.根據(jù)上一時(shí)刻的摩擦參數(shù)βf(k-1)來計(jì)算估計(jì)誤差ε：

11、ε＝τf(k)-φf(k)βf(k-1)；

12、s5.由估計(jì)誤差ε和增益矩陣k(k)更新機(jī)器人當(dāng)前的摩擦參數(shù)βf(k)：

13、βf(k)＝βf(k-1)+k(k)ε；

14、s6.計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的協(xié)方差矩陣p(k)，用于預(yù)留下一時(shí)刻計(jì)算使用：

15、p(k)＝(i-k(k)φf(k))p(k-1)；

16、s7.根據(jù)當(dāng)前的摩擦回歸矩陣φf(k)和當(dāng)前的摩擦參數(shù)βf(k)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的補(bǔ)償摩擦力矩τf(k)：

17、τf(k)＝φf(k)βf(k)。

18、作為一個(gè)可選的實(shí)施方式，各個(gè)關(guān)節(jié)的采樣力矩通過采樣電流計(jì)算得到：

19、采樣電流先經(jīng)過濾波處理：

20、ifilter(k)＝aifilter(k-1)+(1-a)i(k)，

21、其中，i(k)是該k時(shí)刻的采集電流，ifilter(k-1)是k-1時(shí)刻的濾波電流，ifilter(k)是k時(shí)刻的濾波電流，a是濾波系數(shù)；

22、再通過以下轉(zhuǎn)換公式得到k時(shí)刻的關(guān)節(jié)力矩τ(k)：

23、τ(k)＝rktifilter(k)，

24、其中，r為減速比，kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

25、作為又一個(gè)可選的實(shí)施方式，

26、φf(k)為當(dāng)前時(shí)刻的摩擦回歸矩陣，其中為機(jī)器人當(dāng)前時(shí)刻第i關(guān)節(jié)的速度，sign是符號(hào)函數(shù)；

27、整體回歸矩陣φb(k)通過以下公式計(jì)算得到：

28、

29、其中，τ為關(guān)節(jié)力矩，βb是包含各連桿基本慣性參數(shù)及摩擦參數(shù)的待辨識(shí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的最小慣性參數(shù)集，φib為預(yù)先根據(jù)機(jī)器人自身參數(shù)所確定的慣性回歸矩陣，βib為預(yù)先根據(jù)機(jī)器人自身參數(shù)所確定的慣性基礎(chǔ)參數(shù)，βf為當(dāng)前時(shí)刻的摩擦參數(shù)βf(k)。

30、作為又一個(gè)可選的實(shí)施方式，在步驟s1之前，所述方法還包括：

31、控制機(jī)器人按激勵(lì)軌跡運(yùn)行，在運(yùn)行過程中采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并確定待辨識(shí)的摩擦參數(shù)βf在初始時(shí)刻的初始值βf(0)；

32、其中，所述激勵(lì)軌跡通過五項(xiàng)有限傅里葉級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)，激勵(lì)軌跡定義為：

33、

34、其中，qi(t)、和分別表示t時(shí)刻第i關(guān)節(jié)的位置、角速度和角加速度，qi0是初始時(shí)刻的關(guān)節(jié)角度；ωf是傅里葉級(jí)數(shù)激勵(lì)軌跡的基角頻率，ak和bk是傅里葉級(jí)數(shù)激勵(lì)軌跡的系數(shù)。

35、作為又一個(gè)可選的實(shí)施方式，在所述步驟s1之前，所述方法還包括：

36、控制機(jī)器人按激勵(lì)軌跡運(yùn)行，在運(yùn)行過程中采集機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，組合出以下線性回歸方程組：

37、

38、其中，m為所述機(jī)器人按所述激勵(lì)軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)獲取到的所述機(jī)器人關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)組的數(shù)量，每個(gè)所述動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)組均包含所述機(jī)器人所有關(guān)節(jié)的輸入力矩、角度、角速度和角加速度，且m大于所述最小慣性參數(shù)集βb中的參數(shù)個(gè)數(shù)；ε是nm×1最小二乘的誤差向量，n為機(jī)器人自由度；φb是單個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的整體回歸矩陣，hb是機(jī)器人按激勵(lì)軌跡運(yùn)行一段時(shí)間所得到的m個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的φb所組成的整體觀測(cè)矩陣；γ為m個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)力矩；

39、求解所述線性回歸方程組中的最小慣性參數(shù)集βb。

40、作為又一個(gè)可選的實(shí)施方式，在所述求解所述線性回歸方程組中的最小慣性參數(shù)集βb之后，所述方法還包括：

41、獲取誤差向量ε；

42、對(duì)誤差向量ε進(jìn)行重新排列，形成一個(gè)m×n的誤差矩陣r，其結(jié)構(gòu)如下：

43、r＝[r1?r2…rn]，

44、其中，ri表示由n個(gè)關(guān)節(jié)中第i個(gè)關(guān)節(jié)的m組力矩誤差構(gòu)成的誤差向量；

45、計(jì)算協(xié)方差矩陣c，公式如下：

46、c＝cov(r)，

47、其中，c是一個(gè)n×n的對(duì)稱矩陣，cov是協(xié)方差計(jì)算函數(shù)；

48、對(duì)所述線性回歸方程組進(jìn)行歸一化：

49、

50、其中，w為加權(quán)矩陣；

51、基于以下約束采用最小二乘法求解最小慣性參數(shù)集βb：

52、

53、其中，n為連桿個(gè)數(shù)，mi為連桿i的質(zhì)量，ii為連桿i質(zhì)心坐標(biāo)系下的慣性張量矩陣，fci是連桿i的庫倫摩擦系數(shù)，fvi是連桿i的粘滯摩擦系數(shù)；

54、確定求解得到的最小慣性參數(shù)集為最小慣性參數(shù)集βb在初始時(shí)刻的初始值。

55、作為又一個(gè)可選的實(shí)施方式，所述求解所述線性回歸方程組中的最小慣性參數(shù)集βb，包括：

56、基于如下的約束采用最小二乘法求解所述線性回歸方程組中的最小慣性參數(shù)集βb：

57、

58、其中，n為連桿個(gè)數(shù)，mi為連桿i的質(zhì)量，ii為連桿i質(zhì)心坐標(biāo)系下的慣性張量矩陣，fci是連桿i的庫倫摩擦系數(shù)，fvi是連桿i的粘滯摩擦系數(shù)。

59、作為又一個(gè)可選的實(shí)施方式，采用最小化觀測(cè)矩陣條件數(shù)為所述激勵(lì)軌跡的優(yōu)化指標(biāo)，所述激勵(lì)軌跡的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

60、

61、式中，cond為觀測(cè)矩陣條件數(shù)，qmin、qmax、分別為機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)可轉(zhuǎn)動(dòng)位置、速度和加速度的上下限；分別為初始時(shí)刻機(jī)器人關(guān)節(jié)速度和加速度，分別為終止時(shí)刻tf時(shí)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)速度和加速度。

62、本發(fā)明第二方面公開了一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制方法，所述機(jī)器人具有反饋控制系統(tǒng)，所述方法包括：

63、當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行任意軌跡時(shí)，采集當(dāng)前時(shí)間段中機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)如本發(fā)明第一方面所述的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)方法計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間段對(duì)應(yīng)的估計(jì)摩擦力矩τf(k)、和βib，再根據(jù)如下公式計(jì)算前饋補(bǔ)償力矩τforward(k)：

64、

65、將該前饋補(bǔ)償力矩τforward(k)作為當(dāng)前所述機(jī)器人的摩擦力矩的實(shí)際值提供給所述反饋控制系統(tǒng)。

66、本發(fā)明第三方面公開了一種機(jī)器人，包括存儲(chǔ)器、處理器和存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面或第二方面公開的方法中的步驟。

67、本發(fā)明第四方面公開了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面或第二方面公開的方法中的步驟。

68、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例具有以下有益效果：

69、相比于現(xiàn)有技術(shù)，由于機(jī)器人的關(guān)節(jié)摩擦具有非線性特征，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度變化較大，因此本發(fā)明實(shí)施例提出了摩擦參數(shù)在線辨識(shí)方法，通過實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息并實(shí)時(shí)計(jì)算出更貼合當(dāng)前時(shí)刻的摩擦參數(shù)，通過如此不斷更新摩擦參數(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的摩擦模型，使得預(yù)測(cè)摩擦力矩能夠更加貼近實(shí)際摩擦力矩，有助于構(gòu)建出更為精確的動(dòng)力學(xué)模型，提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度；本發(fā)明的補(bǔ)償控制方法在執(zhí)行一次上述的實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)后即計(jì)算一次前饋補(bǔ)償力矩，用于機(jī)器人的反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制，能夠提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制精度。