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CN114368008A - Delta型并联机器人的关节摩擦辨识方法 - Google Patents

Delta型并联机器人的关节摩擦辨识方法 Download PDF

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CN114368008A
CN114368008A CN202111050226.9A CN202111050226A CN114368008A CN 114368008 A CN114368008 A CN 114368008A CN 202111050226 A CN202111050226 A CN 202111050226A CN 114368008 A CN114368008 A CN 114368008A
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friction
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李景南
田坤淼
周文
杨医华
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Abstract

本发明一种DELTA型并联机器人的关节摩擦辨识方法，在制作得到DELTA型并联机器人的物理样机后，需要辨识得到该物理样机的关节摩擦力矩τf＝τfm+τfb，通过对DELTA型并联机器人进行“拆解‑组合”实验步骤，采集到相应的数据后，使用常规的线性回归算法，即可完成电机和减速机的摩擦参数的辨识，从而实现了对DELTA型并联机器人的主动臂的旋转关节摩擦力矩的辨识，本发明计算量适中，实施容易。

Description

DELTA型并联机器人的关节摩擦辨识方法
技术领域
本发明属于机器人控制领域，涉及一种DELTA型并联机器人的关节摩擦辨识方法。
背景技术
如图1所示的DELTA型并联机器人，是目前最成功的并联机构之一，具有重量轻，运动速度快，载荷自重比较大的优点，已被广泛应用于物品快速分拣、3d打印等领域。
为了开发这种类型的并联机器人，在设计阶段需要针对该机型进行初步的动力学仿真，通过设定转速值、力矩值等参数来初步模拟机器人在实际运行过程中的电机工作情况。根据这个仿真结果可以初步选定机器人样机的电机、减速机等核心零部件。但是初步的动力学仿真无法评估电机和减速机的摩擦力矩，所以该动力学仿真是不完整的。
在选型完电机和减速机并制作出初版物理样机后，还需要对该初版物理样机进行关节摩擦辨识。具体就是通过实验得到旋转关节处的电机和减速机在运行时所产生的摩擦力矩值，再通过数据处理得到摩擦力随关节速度的变化规律，即为关节摩擦力矩的辨识。
针对串联机器人和DELTA型并联机器人的关节摩擦辨识方法，目前已有如下的在先申请：
已有CN202010514746.X机器人摩擦辨识方法、装置、系统及存储介质，该专利认为不同的温度会影响摩擦力矩，因此在进行关节摩擦辨识前，需要对机器人进行充分的热机，当机器人关节达到热平衡时，再进行关节摩擦辨识，将会得到更加准确的关节摩擦模型，以解决现有的机器人摩擦辨识过程耗时长、效率低下的问题，其关注点是辨识前的热机问题，与关节摩擦的具体辨识方法无关。
已有CN201610966932.0一种基于力矩观测和摩擦辨识的机器人接触力检测方法，该专利认为机器人越来越多地要和周围环境接触，需要对接触力进行严格的控制，因此首先需要检测机器人运行过程中末端执行器受到的接触力。利用构造的关节摩擦力矩观测量来辨识机器人关节摩擦参数，将理论运行状态下的观测量视为系统模型误差，在剔除摩擦和系统模型误差的影响后得到了准确的接触力检测值。该专利中采用指数摩擦模型和正余弦函数组合的摩擦模型来辨识摩擦参数。该专利针对的是串联机器人并非并联机器人，且摩擦模型为指数摩擦模型和正余弦函数组合，太复杂，操作不便利，对技术人员的理论知识要求较高。
已有CN201911221683.2一种基于模糊集理论的delta机器人控制方法，该专利揭示一种对摩擦力进行辨识的方法，利用stribeck摩擦力模型，分为确定项和不确定项，其建立的摩擦模型极其复杂，一般技术人员难以理解，且控制律计算量太大，实时性无法保证。
发明内容
本发明的目的在于提高一种能大幅度降低实验难度，计算量适中，实施容易，使用便利的DELTA型并联机器人的关节摩擦辨识方法。
本发明一种DELTA型并联机器人的关节摩擦辨识方法，在制作得到DELTA型并联机器人的物理样机后，需要辨识得到该物理样机的摩擦力矩τf＝τfm+τfb，τfm为电机转子旋转时由内部轴承阻尼造成的电机摩擦力矩，τfb为减速机旋转时由齿轮的啮合造成的减速机摩擦力矩，将其简化为静摩擦和粘性摩擦的结合，定义如下：
Figure BDA0003252652560000031
Figure BDA0003252652560000032
其中：kfm为电机的粘性阻尼系数，kfb为减速机的粘性阻尼系数，cfm为电机的最大静摩擦力,cfb为减速机的的最大静摩擦力，
Figure BDA0003252652560000033
为电机转速，
Figure BDA0003252652560000034
为减速机转速，关节摩擦力矩的辨识即为求解上述四个系数，具体包括如下步骤：
步骤1、做实验辨识电机摩擦力矩τfm
对每个水平关节进行单独测试，将一个水平电机单独“拆解”出来，在电机运行过程中，电机的实际产生力矩值τm'应足够克服电机摩擦力矩τfm和转子的惯量力矩τim，且三者满足：
τm'＝τfm+τim (1.11)
对电机进行单独测试，测试N1次，在第i次实验中,i＝1,2，…，N1，使用电机伺服驱动器，设定电机运行的最大转速为
Figure BDA0003252652560000035
其中
Figure BDA0003252652560000036
为电机的额定转速；
设定角加速度αm确保电机以梯形速度规律往复运行，在至少包含一个完整的梯形周期的电机运行期间使用伺服调试软件采集最大电流值，并将电流值转换成力矩值τm'(i)，则求得转子的惯量力矩值τim：
τim＝Im×αm (1.12)
其中，Im为电机转子转动惯量，通过查阅电机手册得到；
求得电机摩擦力矩τfm(i)：
τfm(i)＝τm'(i)-τim(1.13)
记录电机最大转速
Figure BDA0003252652560000041
和电机摩擦力矩τfm(i)；
按照上述的流程测试完N1组数后，设定的最大转速值相应依次为
Figure BDA0003252652560000042
通过公式(1.11)～(1.13)求得电机摩擦力矩为τfm(1)～τfm(N1)；
将
Figure BDA0003252652560000043
和τfm(1)～τfm(N1)按公式(1.10)作线性回归处理，求得公式(1.10)式中的kfm和cfm；
步骤2、做实验辨识减速机摩擦力矩τfb
将电机和减速机“组合”安装，两者固连，在电机运行过程中，电机的实际产生力矩值τm”应足够克服电机摩擦力矩τfm、电机转子的惯量力矩τim、减速机摩擦力矩τfb，减速机转子的惯量力矩τib，且这五项满足：
τm”＝τfm+τim+τfb+τib (1.14)
对电机减速机组合进行测试，共测试N2次，在第i次实验中,i＝1,2，…，N2，使用电机伺服驱动器，设定电机的最大转速
Figure BDA0003252652560000044
和角加速度αm'＝αm，确保电机以梯形速度规律往复运行，在至少包含一个完整的梯形周期的电机运行期间使用伺服调试软件采集最大电流值，并将电流值转换成力矩值τm”(i)，求得减速机转子的惯量力矩τib：
τib＝Ib×αm (1.15)
其中，Ib为减速机转子的转动惯量，通过查阅减速机的手册或根据厂商提供的减速机三维模型得到；
求得减速机摩擦力矩τfb(i)：
τfb(i)＝τm”(i)-τfm-τim-τib (1.16)
记录电机最大转速
Figure BDA0003252652560000051
和减速机摩擦力矩τfb(i)；
按照上述的流程测试完N2组数据后，设定的电机最大转速依次为
Figure BDA0003252652560000052
通过公式(1.14)～(1.16)求得减速机摩擦力矩τfb(1)～τfb(N2)；
将
Figure BDA0003252652560000053
和τfb(1)～τfb(N2)按公式(1.11)作线性回归处理，可求得(1.11)式中的kfb和cfb。
采用本发明的技术方案，通过对DELTA型并联机器人进行“拆解-组合”实验步骤，采集到相应的数据后，使用常规的线性回归算法，即可完成电机和减速机的摩擦参数的辨识，从而实现了对DELTA型并联机器人的主动臂的旋转关节摩擦力矩的辨识，本发明计算量适中，实施容易，使用便利。
附图说明
图1为DELTA型并联机器人；
图2为DELTA型并联机器人的局部示意图；
图3为DELTA型并联机器人主动臂关节驱动部分组件的示意图；
图4为DELTA型并联机器人主动臂关节驱动部分组件的力矩示意图；
图5为本发明水平电机单独测试示意图；
图6为本发明测试时梯形速度曲线示意图；
图7为本发明减速器和电机组合测试示意图；
图8为本发明的工作原理图。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1和图2所示，为DELTA型并联机器人，包括静平台1、水平电机2-1至2-3、垂直电机2-4、行星减速机3-1至3-3、主动臂4-1至4-3、从动杆5-1至5-6、动平台6、花键7、花键套筒8、末端法兰9，该Delta型并联机器人共装有四个电机，所以有四个自由度，自由度方向为X-Y-Z-φ，XYZ表示三维空间的位置，φ表示末端法兰9相对于动平台的旋转角度。整机可认为有三个支链，每个支链由同一侧的一水平电机、一减速机、一主动臂和2根从动杆组成。
所述Delta型并联机器人工作原理为：静平台1安装在机台上固定不动，水平电机(2-1至2-3)和减速机(3-1至3-3)固连在静平台1上，主动臂(4-1至4-3)分别安装在减速机(3-1至3-3)输出端。两根从动杆与主动臂用球铰连接，动平台6与两根从动杆也用球铰连接。垂直电机(2-4)安装在静平台1上，垂直电机(2-4)旋转时，带动花键7、花键套筒8和末端法兰9旋转。上述水平电机旋转时，经过减速机驱动主动臂，使其绕电机和减速机共同轴线(图1中的“水平关节轴”)旋转。主动臂带动从动杆，最终带动动平台6运动。
如图3所示，所述Delta型并联机器人一个支链的水平电机2-1、减速机3-1、主动臂4-1构成机器人的一个水平关节，电机旋转轴和减速机旋转轴共同轴线，共同组成了关节轴，本发明所述的关节摩擦即为这三个水平关节的摩擦力矩。该摩擦力矩主要出现在电机转子和减速机旋转时，由于内部轴承阻尼和齿轮的啮合造成的摩擦阻力矩。
如图8所示，本发明一种DELTA型并联机器人的关节摩擦辨识方法，在制作得到如图1所示的DELTA型并联机器人的物理样机后，需要辨识得到该物理样机的摩擦力矩τf＝τfm+τfb(如图4所示)，τfm为电机转子旋转时由内部轴承阻尼造成的电机摩擦力矩，τfb为减速机旋转时由齿轮的啮合造成的减速机摩擦力矩，Delta机器人的摩擦力矩的规律较复杂，由电机和减速机在转动时产生，它不是一个恒定值，是一个与电机转速
Figure BDA0003252652560000071
或减速机转速
Figure BDA0003252652560000072
有关的值，将其简化为静摩擦和粘性摩擦的结合，定义如下：
Figure BDA0003252652560000073
Figure BDA0003252652560000074
其中：kfm为电机的粘性阻尼系数，kfb为减速机的粘性阻尼系数，cfm为电机的最大静摩擦力,cfb为减速机的的最大静摩擦力，
Figure BDA0003252652560000081
为电机转速，
Figure BDA0003252652560000082
为减速机转速，摩擦力矩的辨识即为求解上述四个系数，具体包括如下步骤：
步骤1、做实验辨识电机摩擦力矩τfm
对每个水平关节进行单独测试，如图5所示，将一个水平电机单独“拆解”出来，在电机运行过程中，电机的实际产生力矩值τm'应足够克服电机摩擦力矩τfm和转子的惯量力矩τim，且三者满足
τm'＝τfm+τim (1.11)
对电机进行单独测试，共测试10次，在第i次实验中(i＝1,2，…，10)，使用电机伺服驱动器，设定电机运行的最大转速为
Figure BDA0003252652560000083
其中
Figure BDA0003252652560000084
为电机的额定转速。
设定角加速度αm，让电机以梯形速度规律(见图6)往复运行，设定角加速度αm的原则是让电机有匀速段即可，在至少包含一个完整的梯形周期的电机运行期间使用伺服调试软件采集最大电流值，并将电流值转换成力矩值τm'(i)，则求得转子的惯量力矩值τim：
τim＝Im×αm (1.12)
其中，Im为电机转子转动惯量，通过查阅电机手册得到；
求得电机摩擦力矩τfm(i)：
τfm(i)＝τm'(i)-τim (1.13)
记录电机最大转速
Figure BDA0003252652560000085
和电机摩擦力矩τfm(i)；
按照上述的流程测试完10组数后，设定的最大转速值相应依次为
Figure BDA0003252652560000091
通过公式(1.11)～(1.13)求得电机摩擦力矩为τfm(1)～τfm(10)；
将
Figure BDA0003252652560000092
和τfm(1)～τfm(10)按公式(1.10)作线性回归处理，求得公式(1.10)式中的kfm和cfm；
步骤2、做实验辨识减速机摩擦力矩τfb
将电机和减速机“组合”安装，两者固连，如图7所示。在电机运行过程中，电机的实际产生力矩值τm”应足够克服电机摩擦力矩τfm、电机转子的惯量力矩τim、减速机摩擦力矩τfb，减速机转子的惯量力矩τib，且这五项满足：
τm”＝τfm+τim+τfb+τib (1.14)
对电机减速机组合进行测试，共测试10次，在第i次实验中(i＝1,2，…，10)，使用电机伺服驱动器，设定电机的最大转速
Figure BDA0003252652560000093
和角加速度αm'＝αm，让电机以梯形速度规律(见图6)往复运行，在至少包含一个完整的梯形周期的电机运行期间使用伺服调试软件采集最大电流值，并将电流值转换成力矩值τm”(i)，求得减速机转子的惯量力矩τib：
τib＝Ib×αm (1.15)
其中，Ib为减速机转子的转动惯量，通过查阅减速机的手册或根据厂商提供的减速机三维模型得到；
求得减速机摩擦力矩τfb(i)：
τfb(i)＝τm”(i)-τfm-τim-τib (1.16)
记录电机最大转速
Figure BDA0003252652560000094
和减速机摩擦力矩τfb(i)。
按照上述的流程测试完10组数据后，设定的电机最大转速依次为
Figure BDA0003252652560000101
通过公式(1.14)～(1.16)求得减速机摩擦力矩τfb(1)～τfb(10)。
将
Figure BDA0003252652560000102
和τfb(1)～τfb(10)按公式(1.11)作线性回归处理，可求得(1.11)式中的kfb和cfb。
此时通过上述步骤已得到了kfm,kfb，cfm,cfb四个参数，即已完成电机和减速机的摩擦参数的辨识，从而实现了对DELTA型并联机器人的主动臂的旋转关节摩擦力矩的辨识。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或，单数不排除复数。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围。

Claims (1)

1.一种DELTA型并联机器人的关节摩擦辨识方法，在制作得到DELTA型并联机器人的物理样机后，需要辨识得到该物理样机的关节摩擦力矩τf＝τfm+τfb，τfm为电机转子旋转时由内部轴承阻尼造成的电机摩擦力矩，τfb为减速机旋转时由齿轮的啮合造成的减速机摩擦力矩，将其简化为静摩擦和粘性摩擦的结合，定义如下：
Figure FDA0003252652550000011
Figure FDA0003252652550000012
其中：kfm为电机的粘性阻尼系数，kfb为减速机的粘性阻尼系数，cfm为电机的最大静摩擦力,cfb为减速机的的最大静摩擦力，
Figure FDA0003252652550000013
为电机转速，
Figure FDA0003252652550000014
为减速机转速，关节摩擦力矩的辨识即为求解上述四个系数，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、做实验辨识电机摩擦力矩τfm
对每个水平关节进行单独测试，将一个水平电机单独“拆解”出来，在电机运行过程中，电机的实际产生力矩值τm'应足够克服电机摩擦力矩τfm和转子的惯量力矩τim，且三者满足：
τm'＝τfm+τim (1.11)
对电机进行单独测试，测试N1次，在第i次实验中,i＝1,2，…，N1，使用电机伺服驱动器，设定电机运行的最大转速为
Figure FDA0003252652550000015
其中
Figure FDA0003252652550000016
为电机的额定转速；
设定角加速度αm确保电机以梯形速度规律往复运行，在至少包含一个完整的梯形周期的电机运行期间使用伺服调试软件采集最大电流值，并将电流值转换成力矩值τm'(i)，则求得转子的惯量力矩值τim：
τim＝Im×αm (1.12)
其中，Im为电机转子转动惯量，通过查阅电机手册得到；
求得电机摩擦力矩τfm(i)：
τfm(i)＝τm'(i)-τim (1.13)
记录电机最大转速
Figure FDA0003252652550000021
和电机摩擦力矩τfm(i)；
按照上述的流程测试完N1组数后，设定的最大转速值相应依次为
Figure FDA0003252652550000022
通过公式(1.11)～(1.13)求得电机摩擦力矩为τfm(1)～τfm(N1)；
将
Figure FDA0003252652550000023
和τfm(1)～τfm(N1)按公式(1.10)作线性回归处理，求得公式(1.10)式中的kfm和cfm；
步骤2、做实验辨识减速机摩擦力矩τfb
将电机和减速机“组合”安装，两者固连，在电机运行过程中，电机的实际产生力矩值τm”应足够克服电机摩擦力矩τfm、电机转子的惯量力矩τim、减速机摩擦力矩τfb，减速机转子的惯量力矩τib，且这五项满足：
τm”＝τfm+τim+τfb+τib (1.14)
对电机减速机组合进行测试，共测试N2次，在第i次实验中,i＝1,2，…，N2，使用电机伺服驱动器，设定电机的最大转速
Figure FDA0003252652550000024
和角加速度αm'＝αm，确保电机以梯形速度规律往复运行，在至少包含一个完整的梯形周期的电机运行期间使用伺服调试软件采集最大电流值，并将电流值转换成力矩值τm”(i)，求得减速机转子的惯量力矩τib：
τib＝Ib×αm (1.15)
其中，Ib为减速机转子的转动惯量，通过查阅减速机的手册或根据厂商提供的减速机三维模型得到；
求得减速机摩擦力矩τfb(i)：
τfb(i)＝τm”(i)-τfm-τim-τib (1.16)
记录电机最大转速
Figure FDA0003252652550000031
和减速机摩擦力矩τfb(i)；
按照上述的流程测试完N2组数据后，设定的电机最大转速依次为
Figure FDA0003252652550000032
通过公式(1.14)～(1.16)求得减速机摩擦力矩τfb(1)～τfb(N2)；
将
Figure FDA0003252652550000033
和τfb(1)～τfb(N2)按公式(1.11)作线性回归处理，可求得(1.11)式中的kfb和cfb。
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