專利名稱：一種基于傳感器的諧波驅(qū)動單元控制方法及專用實現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機電驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，具體是一種基于傳感器的諧波驅(qū)動單元控制方法及專用實現(xiàn)裝置。
與其它減速器相比，諧波減速器以其重量小、結(jié)構(gòu)緊湊、幾乎無齒隙以及高傳動效率等優(yōu)點，特別適合工業(yè)機器人、自動化儀器設(shè)備、航空/航天等領(lǐng)域的需要。然而，諧波減速器也有諧波振動、周期性傳動誤差、輸出紋波、難以逆向驅(qū)動等弱點。這些不足可以導(dǎo)致其負(fù)載的跟蹤性能變差，特別是在高速運動和僅有電機側(cè)傳感器的情況下更是如此。歸納起來，諧波減速器的主要問題有以下三個方面(1)存在傳動誤差。通常情況下，經(jīng)過大變比減速之后，該誤差本身并不明顯；但是它能夠?qū)е轮C波減速器輸出振動；振動的主導(dǎo)頻率是諧波減速器輸入軸轉(zhuǎn)動(伺服電機轉(zhuǎn)動)角頻率的兩倍，即振動頻率依賴于諧波驅(qū)動單元的期望軌跡。如果該振動頻率進入諧波驅(qū)動單元的諧振頻帶，將導(dǎo)致更加嚴(yán)重的諧波諧振。
(2)傳動剛性差。諧波減速器的柔性部件降低整個諧波驅(qū)動單元的諧振頻帶。低頻率諧振是影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的最主要因素，它制約著控制增益的提高，也就限制了對擾動力矩的抑制作用，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度下降。同時要求嚴(yán)格限制諧波減速器的最大輸入轉(zhuǎn)速，以避免輸出振動進入諧振頻帶。
(3)逆向可驅(qū)動能力差。大減速比以及內(nèi)摩擦導(dǎo)致諧波驅(qū)動系統(tǒng)的逆向可驅(qū)動性很差，這將導(dǎo)致以下問題(a)難以對諧波驅(qū)動單元實施力控制；(b)難以構(gòu)造出手-手示教系統(tǒng)；(c)對于易損壞部件及操作者構(gòu)成威脅，難以構(gòu)造出安全的人機合作系統(tǒng)。
同時應(yīng)該指出，很難用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確描述上述這些動力學(xué)特性；因此，幾乎不可能基于模型對這些因素加以補償。
為了克服諧波驅(qū)動系統(tǒng)的上述問題，本發(fā)明提供一種無傳動誤、傳動剛性和逆向可驅(qū)動能力強的、基于傳感器的諧波驅(qū)動單元控制方法及專用實現(xiàn)裝置，它是一種基于實測加速度和力矩信息的諧波驅(qū)動單元魯棒控制方法，用相應(yīng)的諧波驅(qū)動與力矩、加速度傳感器的集成裝置，以實現(xiàn)并驗證該方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是由基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制、基于實測信息的輸出加速度反饋控制、基于實測信息的輸出力矩反饋控制策略和工作條件判斷邏輯四部分組成，其中工作條件判斷邏輯實時監(jiān)視諧波驅(qū)動單元的輸出力矩，判斷是否與外部環(huán)境相接觸如果處于自由運動空間，則啟動控制方法中的基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制和基于實測信息的輸出加速度反饋控制，將常規(guī)的電機側(cè)軌跡跟蹤控制與輸出側(cè)的加速度反饋控制相結(jié)合，利用加速度反饋控制克服諧波驅(qū)動單元的諧波諧振及輸出振動，同時抑制外擾動的影響，電機側(cè)軌跡跟蹤控制用來確保跟蹤；如果負(fù)載與外界環(huán)境相接觸，工作條件判斷邏輯將啟動諧波減速器輸出力矩反饋控制，抑制諧波減速器內(nèi)部摩擦及電機轉(zhuǎn)子慣量的影響，增強諧波驅(qū)動單元逆向驅(qū)動的柔順性，同時避免過大的沖擊力及其可能對工件、操作者等造成的損壞；
本發(fā)明的專用實現(xiàn)裝置，由電機、連軸結(jié)、諧波減速器組成，其中所述電機上裝有編碼器，安裝于機座上，其輸出軸通過連軸結(jié)與諧波減速器相耦合，還包括力矩傳感器、附加連桿及加速度傳感器，在諧波減速器與負(fù)載之間安裝一力矩傳感器，在諧波減速器的輸出端安裝一附加連桿，附加連桿上設(shè)有兩個測量驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動加速度用的加速度傳感器。
本發(fā)明控制方法的工作原理如下本發(fā)明的控制方法結(jié)構(gòu)如

圖1所示，這是一種基于事件的非連續(xù)控制方法，它根據(jù)諧波減速器的諧波驅(qū)動單元的實際工作條件確定控制行為。這種控制方法的設(shè)計基礎(chǔ)是諧波減速器在不同的工作條件下，其存在的問題是不同的。在自由空間軌跡跟蹤情況下，跟蹤精度是關(guān)鍵，其控制行為致力于抑制諧振及輸出振動，同時保留諧波減速器“擾動隔離器”的特性；在接觸過渡過程和力跟蹤情況下，提高諧波驅(qū)動單元的逆向驅(qū)動的順應(yīng)性是關(guān)鍵，其控制行為則致力于抑制諧波減速器的內(nèi)部摩擦及克服被放大的電機轉(zhuǎn)子慣量。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.無傳動誤差。本發(fā)明將常規(guī)的電機側(cè)軌跡跟蹤控制與輸出側(cè)的加速度反饋控制相結(jié)合，利用加速度反饋控制克服諧波驅(qū)動單元的諧波諧振及輸出振動，同時抑制外擾動的影響，電機側(cè)軌跡跟蹤控制用來確保跟蹤。加速度反饋控制對諧波驅(qū)動單元輸出紋波及諧波諧振的抑制情況表明，當(dāng)輸入速度為18rpm時激發(fā)了明顯的諧波諧振，加速度反饋對諧振的抑制效果大于50％。
2.傳動剛性強。本發(fā)明能抑制諧波減速器內(nèi)部摩擦及電機轉(zhuǎn)子慣量的影響，增強諧波驅(qū)動單元逆向驅(qū)動的柔順性，同時避免過大的沖擊力及其可能對工件、操作者等造成的損壞。
3.逆向可驅(qū)動能力強。輸出力矩反饋控制對諧波驅(qū)動單元逆向可驅(qū)動性的增強效果表明諧波驅(qū)動單元逆向驅(qū)動的順應(yīng)性越好，輸出力矩反饋控制將諧波驅(qū)動單元的逆向可驅(qū)動能力提高一倍以上。
4.本發(fā)明與目前被廣泛采用的控制方法相比較，我們提出的方法在控制性能上取得了明顯的改進。同時，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，通過兩個線加速度傳感器的簡單相減并乘以一個常數(shù)，就可以消除重力加速度的影響，實現(xiàn)對角加速度的測量。另外，本發(fā)明易于工程實現(xiàn)。
圖1為本發(fā)明的控制方法結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明控制方法的專用實現(xiàn)裝置。
圖3-1為電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制時對三種不同速度的跟蹤效果，諧波減速器輸入轉(zhuǎn)速為12rpm。
圖3-2為基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制和輸出加速度反饋時的跟蹤效果，諧波減速器輸入轉(zhuǎn)速為12rpm。
圖3-3電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制時對三種不同速度的跟蹤效果，諧波減速器輸入轉(zhuǎn)速為18rpm。
圖3-4基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制和輸出加速度反饋時的跟蹤效果，諧波減速器輸入轉(zhuǎn)速為18rpm。
圖4-1為在關(guān)掉電機的驅(qū)動電源、開啟抱閘的情況下，導(dǎo)致速度與外加力矩的關(guān)系曲線。
圖4-2為啟動輸出力矩反饋控制之后的導(dǎo)致速度與外加力矩的關(guān)系曲線。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
如圖1所示的控制方法由四部分組成(a)基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制，(b)基于實測信息的輸出加速度反饋控制，(c)基于實測信息的輸出力矩反饋控制策略，(d)工作條件判斷邏輯。其中 d負(fù)載側(cè)期望角加速度；θd電機側(cè)期望角加速度；τd諧波驅(qū)動單元的期望輸出力矩；τn外界擾動力矩；rd條件判斷參考；Ga(s)加速度反饋控制策略；Gp(s)基于編碼器的跟蹤控制策略；Gr(s)力矩反饋控制策略；工作條件判斷邏輯實時監(jiān)視諧波驅(qū)動單元的輸出力矩，判斷是否與外部環(huán)境相接觸如果處于自由運動空間，則啟動控制方法中的(a)+(b)，將常規(guī)的電機側(cè)軌跡跟蹤控制與輸出側(cè)的加速度反饋控制相結(jié)合，利用加速度反饋控制克服諧波驅(qū)動單元的諧波諧振及輸出振動，同時抑制外擾動的影響，電機側(cè)軌跡跟蹤控制用來確保跟蹤。
如果負(fù)載與外界環(huán)境(工件、操作者等)相接觸，工作條件判斷邏輯將啟動諧波減速器輸出力矩反饋控制，其目的是抑制諧波減速器內(nèi)部摩擦及電機轉(zhuǎn)子慣量的影響，增強諧波驅(qū)動單元逆向驅(qū)動的柔順性，同時避免過大的沖擊力及其可能對工件、操作者等造成的損壞。
如圖2所示，所述控制方法的專用實現(xiàn)裝置由電機3、連軸結(jié)4、諧波減速器5組成，其中所述電機3上裝有編碼器2，安裝于機座1上，其輸出軸通過連軸結(jié)4與諧波減速器5相耦合，其特征在于還包括力矩傳感器6、附加連桿7及加速度傳感器81、82，在諧波減速器5與負(fù)載之間安裝一力矩傳感器6，用以直接測量諧波驅(qū)動單元的輸出力矩；在諧波減速器5的輸出端安裝一附加連桿7，附加連桿7上安裝兩個伺服型線加速度傳感器81、82，用以測量諧波驅(qū)動單元的輸出角加速度，其工作原理是{Out2=l2q..d+gcosθOut1=l1q..d+gcosθ⇒q..d′=Out1-Out2l1-l2]]>式中，Out1、Out2分別是線加速度傳感器81、82的輸出，l1、l2分別是加速度傳感器81、82到軸中線的距離，g是重力加速度， d是諧波減速器5的輸出角加速度。
上式表明，通過兩個線加速度傳感器的簡單相減并乘以一個常數(shù)，就可以消除重力加速度的影響，實現(xiàn)對角加速度的測量。
圖1所示的控制方法在該裝置上進行了實驗研究，并將取得的實驗結(jié)果與在同一平臺上取得的僅采用常規(guī)控制方法的實驗結(jié)果相比較，所取得的性能改善非常明顯。
實施例1本實施例為加速度反饋控制對諧波驅(qū)動單元輸出紋波及諧波諧振的抑制情況如圖3-1、3-2、3-3、3-4所示，其實驗結(jié)果包括四幅圖，其中圖3-1、3-3兩幅是僅存在基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制時對三種不同速度的跟蹤效果，圖3-2、3-4兩幅是同時存在基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制和輸出加速度反饋時的跟蹤效果，兩者相比較可以突出所述控制方法的有效性；圖3-1、3-3和圖3-2、3-4對應(yīng)諧波減速器5輸入轉(zhuǎn)速分別為12rpm、18rpm兩種情況；每幅圖象由三條曲線組成，分別為速度設(shè)定值、反饋值及兩者之差。
由實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)輸入速度為18rpm時激發(fā)了明顯的諧波諧振，加速度反饋對諧振的抑制效果大于50％。
實施例2本實施例為輸出力矩反饋控制對諧波驅(qū)動單元逆向可驅(qū)動性的增強效果。
如圖4-1、4-2所示，其實驗結(jié)果包括兩幅圖，都是外加力矩與其導(dǎo)致的速度的關(guān)系曲線，該曲線的斜率越大，表明諧波驅(qū)動單元逆向驅(qū)動的順應(yīng)性越好。圖4-1是在關(guān)掉電機的驅(qū)動電源、開啟抱閘的情況下，導(dǎo)致速度與外加力矩的關(guān)系曲線；圖4-2是啟動輸出力矩反饋控制之后的導(dǎo)致速度與外加力矩的關(guān)系曲線。兩者相比較表明，輸出力矩反饋控制將諧波驅(qū)動單元的逆向可驅(qū)動能力提高一倍以上。
權(quán)利要求
1.一種基于傳感器的諧波驅(qū)動單元控制方法，其特征在于由基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制、基于實測信息的輸出加速度反饋控制、基于實測信息的輸出力矩反饋控制策略和工作條件判斷邏輯四部分組成，其中工作條件判斷邏輯實時監(jiān)視諧波驅(qū)動單元的輸出力矩，判斷是否與外部環(huán)境相接觸如果處于自由運動空間，則啟動控制方法中的基于電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制和基于實測信息的輸出加速度反饋控制，將常規(guī)的電機側(cè)軌跡跟蹤控制與輸出側(cè)的加速度反饋控制相結(jié)合，利用加速度反饋控制克服諧波驅(qū)動單元的諧波諧振及輸出振動，同時抑制外擾動的影響，電機側(cè)軌跡跟蹤控制用來確保跟蹤；如果負(fù)載與外界環(huán)境相接觸，工作條件判斷邏輯將啟動諧波減速器輸出力矩反饋控制，抑制諧波減速器內(nèi)部摩擦及電機轉(zhuǎn)子慣量的影響，增強諧波驅(qū)動單元逆向驅(qū)動的柔順性，同時避免過大的沖擊力及其可能對工件、操作者等造成的損壞。
2.一種按照權(quán)利要求1所述基于傳感器的諧波驅(qū)動單元控制方法的專用實現(xiàn)裝置，其特征在于由電機(3)、連軸結(jié)(4)、諧波減速器(5)組成，其中所述電機(3)上裝有編碼器(2)，安裝于機座(1)上，其輸出軸通過連軸結(jié)(4)與諧波減速器(5)相耦合，其特征在于還包括力矩傳感器(6)、附加連桿(7)及加速度傳感器(81、82)，在諧波減速器(5)與負(fù)載之間安裝一力矩傳感器(6)，在諧波減速器(5)的輸出端安裝一附加連桿(7)，附加連桿(7)上設(shè)有兩個測量驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動加速度用的加速度傳感器(81、82)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于傳感器的諧波驅(qū)動單元控制方法及專用實現(xiàn)裝置。由工作條件判斷邏輯實時監(jiān)視諧波驅(qū)動單元的輸出力矩是否與外部環(huán)境相接觸:如果處于自由運動空間,啟動電機編碼器反饋的軌跡跟蹤控制和實測信息的輸出加速度反饋控制;否則,啟動諧波減速器輸出力矩反饋控制;其專用實現(xiàn)裝置,在諧波減速器與負(fù)載間安裝力矩傳感器,諧波減速器輸出端安裝附加連桿,附加連桿上設(shè)有兩個測量驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動加速度用的加速度傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單、無傳動誤差、傳動剛性和逆向可驅(qū)動能力強。
文檔編號G05D15/00GK1361456SQ0013602
公開日2002年7月31日 申請日期2000年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月27日
發(fā)明者韓建達, 王越超, 談大龍 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所