扭矩传感器原理 北京天宇恒创传感技术有限公司

机器人单关节的力矩控制

基于动力学模型的力矩控制一直是机器人高性能伺服控制研究的热点问题,本文将介绍一种单关节的力矩控制方法。

一、问题分析

动力学模型主要用来研究运动所需要的力。

为了实现多自由度的运动控制,从单关节的控制开始,首先在机器人末端的关节也就是第六轴上做力矩控制比较方便。在末端负载比较小的情况下,第六轴运动主要考虑摩擦力。

一般情况下,机器人完整精确的动力学模型是难以直接获取的,包括摩擦力的模型。因此,为了实现伺服运动控制,需要首先辨识动力学模型,然后采用PD+前馈补偿方式进行控制。

二、辨识模型

关节力矩—关节速度曲线
图1:关节力矩—关节速度曲线

这里将摩擦力建模成粘滞摩擦+库伦摩擦的形式,认为总的摩擦力大致与关节速度成线性关系。

实验中需要采集每个时刻的伺服驱动器返回的力矩值和速度值,如图所示,然后分析得到摩擦力的实际模型。

三、控制结果

在获得关节摩擦力模型后,就可以进行关节轴的伺服控制了。

经过实验,画出关节角度、速度、力矩随时间的变化曲线如图所示。

总的来说,关节角度跟踪上了期望轨迹。但由于系统和方法本身的原因,导致跟踪精度不是很好,有的点甚至达到了10度。

出现这种情况的原因有很多,比如力矩的控制周期和位置变化值一样,这会导致带宽不够,因此在某些周期上力矩值没法跟踪上期望值。

另外,本文控制关节的力矩本质上是控制电机的电流,由于没有使用标准型动态扭矩传感器,传动机构的影响导致期望的关节力矩可能和实际电流值对应的力矩值相差较大。

关节角度变化曲线
图2:关节角度变化曲线

关节速度变化曲线
图3:关节速度变化曲线

关节加速度变化曲线
图4:关节加速度变化曲线

四、总结

本文可以在一定精度范围内实现关节伺服运动控制。虽然控制效果不是特别好,不过是一次有益的尝试,并且硬件成本低,之后可以靠算法提升。

另外,摩擦力辨识方法比较粗糙,还可以优化以得到更加精确的估计值。