貝加萊機(jī)器人控制中的慣量前饋控制技術(shù)

前言
機(jī)器人慣量前饋技術(shù)是貝加萊公司的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，即使在整個(gè)業(yè)界也是一項(xiàng)前沿的技術(shù)，它能解決機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中抖動(dòng)的問(wèn)題，提升機(jī)器人系統(tǒng)的精度和效率。目前該項(xiàng)技術(shù)僅為業(yè)內(nèi)少數(shù)公司擁有。

一、慣量匹配與扭矩前饋

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制而言，慣量匹配是一項(xiàng)非常重要的特性需求，而對(duì)于驅(qū)動(dòng)器，良好的慣量匹配才能產(chǎn)生更好的動(dòng)態(tài)性能，在理想的剛性連接情況下，僅需計(jì)算出所需扭矩即可驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使其處于高動(dòng)態(tài)特性運(yùn)轉(zhuǎn)，然而，由于機(jī)械系統(tǒng)的連接具有的彈性變形，例如減速機(jī)、皮帶、聯(lián)軸器等，使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的高動(dòng)態(tài)控制特性，這就帶來(lái)了慣量匹配的問(wèn)題。在驅(qū)動(dòng)器對(duì)負(fù)載的控制過(guò)程中，其電流環(huán)的計(jì)算周期非?？?，在慣量匹配值較大的情況下，系統(tǒng)需要給出一個(gè)非常大的偏差才能在PID調(diào)節(jié)中實(shí)現(xiàn)輸出，然而，這一扭矩輸出會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

貝加萊提供一種力矩前饋控制的模型用于解決這一問(wèn)題，通過(guò)快速給出慣量則能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制。但是，對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)而言，其關(guān)節(jié)連接處于多個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其慣量的變化是多維的，如何施以良好的慣量匹配以確保機(jī)器人系統(tǒng)的高速運(yùn)行呢？

這是機(jī)器人系統(tǒng)目前存在的一個(gè)普遍問(wèn)題，然而，貝加萊的系統(tǒng)所具有的建模、算法設(shè)計(jì)、高速扭矩控制等技術(shù)的組合形成了一種解決這一問(wèn)題的辦法。

二、機(jī)器人機(jī)械振動(dòng)的問(wèn)題

拉格朗日方程描述了機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)能量問(wèn)題，動(dòng)能與勢(shì)能的產(chǎn)生影響了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的力矩、位置等參數(shù)的變化，例如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于機(jī)械臂位置變化而產(chǎn)生的勢(shì)能變化。

在機(jī)器人系統(tǒng)中，由于機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械特性隨著運(yùn)動(dòng)過(guò)程的變化，其慣量也產(chǎn)生了變化，例如，當(dāng)機(jī)械臂處于X軸方向伸長(zhǎng)時(shí)，則沿著Y軸方向的旋轉(zhuǎn)在0～90度范圍內(nèi)，其慣量也發(fā)生了變化，從最大慣量變到最小慣量；而當(dāng)這個(gè)臂旋轉(zhuǎn)超過(guò)90度~180度范圍時(shí)，則其慣量又開(kāi)始變大。由于這種慣量所產(chǎn)生的變化，會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器整個(gè)控制過(guò)程產(chǎn)生調(diào)制振動(dòng)，這也是目前機(jī)器人控制中普遍存在的問(wèn)題。

三、貝加萊動(dòng)態(tài)慣量前饋技術(shù)
貝加萊運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)中的慣量動(dòng)態(tài)前饋技術(shù)能夠很好的解決這一問(wèn)題，對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)而言，其慣量的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)在數(shù)學(xué)上可建模的過(guò)程，因此，可以通過(guò)建立動(dòng)態(tài)的慣量模型來(lái)為系統(tǒng)的控制提供前饋?zhàn)兞浚缦聢D1所示。

圖1 前饋模型
在這個(gè)模型中，當(dāng)設(shè)定位置、設(shè)定速度及加速度值給出后，則將根據(jù)當(dāng)前值和機(jī)械常數(shù)來(lái)計(jì)算出整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的慣量變化，并計(jì)算出力矩輸出的前饋值給電機(jī)，該值與控制器給定值在電流環(huán)中的控制輸出進(jìn)行疊加，使得扭矩輸出可以快速的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)調(diào)整，從而降低扭矩輸出的偏差。

該前饋輸出需要在偏差產(chǎn)生之前即給出，并且以每50uS的周期不斷地刷新，由于其高速刷新，確保了扭矩輸出值高速與高精度，并能夠同步地跟隨機(jī)械慣量的變化，達(dá)到較好的控制狀態(tài)。

四、基于MATLAB/Simulink的前饋模型設(shè)計(jì)

MATLAB/Simulink是目前最為流行的建模工具，由于與Mathworks公司的合作，貝加萊控制系統(tǒng)與MATLAB/Simulink建模仿真軟件建立了接口連接，經(jīng)過(guò)MATLAB/Simulink仿真工具建模生成的控制器模型可以通過(guò)代碼自動(dòng)生成技術(shù)產(chǎn)生控制器的C代碼，而這一代碼無(wú)需手工重寫(xiě)即可導(dǎo)入到BR控制器中，從而實(shí)現(xiàn)在環(huán)測(cè)試。