CN104802802A - 一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，应该包括了考虑和不考虑传动机构回程误差的零位校准问题,假设机器人位于足够大的平面环境中，在完全由履带本体支撑的情况下，履带本体处于水平状态，发明根据摆臂式履带机器人关节位置控制的最终目标为实现适应不同路面下支撑和移动需求这一本质，充分借用标准接近水平的平面地形这一常见场景，仅需通过安装在电机轴的增量编码器，无需安装任何其他位置检测传感器，即可实现摆臂关节的零位校准。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法。
背景技术
对于摆臂式履带机器人，包括履带本体实现移动驱动，通过包含2个或4个可旋转的摆臂构成，摆臂位置角度θ通常需根据越过地形环境实时控制，摆臂位置控制是关节式机构的一种特殊应用，作为关节式机构通常采用的电动驱动方案，目前典型关节式机构的驱动结构，是获取关节绝对位置θ是实现精确位置控制的前提条件，关节传动结构为通过电机经过联轴器，通过减速传动器驱动关节运动。出于成本、安装空间、精度需求等因素影响，该类机器人关节通常采用安装于电机轴的增量编码器获取关节位置信息。该方法为非直接获取关节绝对位置方式，需解决两个问题：一方面是零位校准，即由于增量式编码器通过脉冲方式测量轴相对位置，因此需要零位校准以获得关节的绝对位置；另一方面是传动误差测量，即由于该方法是通过检测电机轴位置，再根据理论传动比，间接计算出控制目标需要的关节位置，尽管电机轴位置可以通过选用高精度编码获得非常高的位置测量精度，但无法知道由于电机到末端关机的传动机构所带来的误差，导致所测得的目标位置精度并不高，而传动机构误差主要是回程误差，因此如何获得回程误差大小也是实现高精度位置测量所需解决的关键问题。
其中θ是需要获得的目标值关节位置，Ψ是电机轴位置，假设减速传动器的减速比为N:1，在不考虑编码器检测误差和减速传动误差的情况下，θ和Ψ的关系为：θ=Ψ/N在考虑误差影响，假设增量编码器的角度测量精度为ΔΨ，减速传动器回程误差为ΔΦ，则由此带来的关节位置误差为：Δθ=ΔΨ/N+ΔΦ
由式2可知，当N较大时(实际应用中，通常>500)，由增量编码器测量误差带来的关节位置误差影响很小，而由减速传动器带来的回程误差是影响关节位置精度的重要因素。因此辨识该误差对提高目标测量精度意义重大。
当前最常见的解决方法是在关节轴安装绝对位置编码器、旋转电位器、限位开关或红外接近开关等辅助位置传感器，实现零位校准，这类方法一方面需要在关节位置安装额外的传感器，对要求结构紧凑的履带机器人而言大大降低了机构设计的灵活性，同时在活动关节位置引入额外的传感器会降低系统可靠性；另一方面这种方法无法解决减速传动器所带来的传动误差辨识问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述存在的问题，提供不仅能够不降低结构紧凑的履带机器人的机构设计的灵活性，同时在活动关节位置引入额外的传感器会降低系统可靠性；而且解决减速传动器所带来的传动误差辨识问题的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法。
本发明的目的是以如下方式实现的：一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，包括了考虑和不考虑传动机构回程误差的零位校准问题的前提下，假设机器人位于足够大的平面环境中，在完全由履带本体支撑的情况下，履带本体处于水平状态，
步骤A、如果摆臂位置|θ|＜90+α时，其中α为摆臂形状锥度，则摆臂不支撑本体，因此在匀转速状态，驱动关节所需力仅为克服关节传动摩擦转矩F；
步骤B、当摆臂位置|θ|≥90+α时，摆臂起到支撑本体的作用，此时驱动关机不仅需要提供摩擦转矩，还需克服本体自重引起的重力转矩G，即关节驱动转矩为F+G，由于在摆臂角度|θ|在90°附近时，重力引起的转矩G相对摩擦转矩F要大很多，因此如果摆臂处于匀速旋转状态，则在|θ|=90+α位置将会产生对力矩大小需求的突变，由此可用于确定摆臂绝对位置点90+α，从而有效获得摆臂关节的零位校准；
步骤C，在考虑传动过程中的回程误差影响，由于传动机构的回程误差ΔΦ的方向始终与关节受力方向相同，因此利用正负方向不同的零位校准，可获得回程误差大小。
上述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，当摆臂通过正向运动到达正向零位时，考虑误差影响，电机端轴角度则算到末端角度为:θ1=90+α+ΔΦ。
上述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，其特征在于：当摆臂通过反向运动到达反向零位时，考虑误差影响，电机端轴角度则算到末端角度为:θ2=-90-α-ΔΦ。
上述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，假设θ1、θ2对应的编码器测量值分别为β1、β2,则摆臂垂直位置零位对应的编码器测量值和传动机构回程误差分别为：θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α；
其中β11和β2为通过增量编码器测得值，α为仅与机构形状相关参数，可以一次性方便获取，且同一实物固定不变。
上述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，包括A、将机器人平放在场地准备：将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，平面倾斜度≤15°；
B、摩擦力矩检测：首先以不大于电机额度1/2速度，以速度模式，使摆臂在非支撑角度|θ|<90+α范围内连续运动10°左右角度，同时监测电机驱动电流，以匀速旋转状态下的平均电流作为克服摩擦力矩所需驱动电流IF；
C、正向零位检测：完成步骤A之后，保证此时摆臂仍处于非支撑角度范围内，切换控制模式为电流控制模式，最大速度限制在不大于1/5电机额度速度，设置驱动电流为IF，使摆臂正向运动，当判断速度减为0，停留大于3S后即可确定此时摆臂位置为正向参考位置90+α，记录当前电机端增量编码器测得位置值θ1，作为正向零位参考值；
D、反向零位检测：完成步骤B之后，其他状态保持不变，设置驱动电流为-IF，使摆臂反向运动，当判断速度减为0，停留大于3S后即可确定此时摆臂位置为反向参考位置-90-α，记录当前电机端增量编码器测得位置值θ2，作为反向零位参考值；
E、结果计算：根据θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α分别计算摆臂零位对应的传感器测量值θ0和传动机构回程误差Δ。
上述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，包括:A、将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，平面倾斜度≤15°；
B、正向参考位置检测：将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，以速度模式运行，首先使摆臂在非支撑角度|θ|<80+α范围内，以1/5电机额度速度，正向旋转，同时监测对电机驱动电流做与速度环带宽相当的低通滤波后的滤波驱动电流绝对值ICF1，当以ICF1出现2倍以上阶跃突变作为触发源，记录该时刻的编码器测量值作为参考位置值β1，再控制摆臂反向旋转至起始点停止；
C、正向参考位置检测：完成步骤A之后，控制摆臂以1/5电机额度速度，反向旋转，同时监测对电机驱动电流做与速度环带宽相当的低通滤波后的滤波驱动电流绝对值ICF2，当以ICF2出现2倍以上阶跃突变作为触发源，记录该时刻的编码器测量值作为参考位置值β2，再控制摆臂反向旋转至起始点停止；
D、结果计算：根据θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α分别计算摆臂零位对应的传感器测量值θ0和传动机构回程误差Δ。
本发明的优点：1、本发明根据摆臂式履带机器人关节位置控制的最终目标为实现适应不同路面下支撑和移动需求这一本质，充分借用标准接近水平的平面地形这一常见场景，仅需通过安装在电机轴的增量编码器，无需安装任何其他位置检测传感器，即可实现摆臂关节的零位校准。
2、同时采用该方法可方便辨识出传动过程中的误差，实现高精度的关节位置测量。此外该方法所定义的正负零位均为非机械限位零位，实施过程中在零位对部件无冲击破坏风险，具有实用性强，实现方便，可靠性高等优点。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明正向校准结构示意图；
图2是本发明反向校准结构示意图；
图3是单摆臂履带结构；
附图标记：1、履带本体，2、摆臂。
具体实施方式：
见图1和图2所示，一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，包括应该包括了考虑和不考虑传动机构回程误差的零位校准问题的前提下，假设机器人位于足够大的平面环境中，在完全由履带本体1支撑的情况下，履带本体1处于水平状态，
步骤A、如果摆臂2位置|θ|＜90+α时，其中α为摆臂2形状锥度，则摆臂2不支撑本体，因此在匀转速状态，驱动关节所需力仅为克服关节传动摩擦转矩F；
步骤B、当摆臂2位置|θ|≥90+α时，摆臂2起到支撑本体的作用，此时驱动关机不仅需要提供摩擦转矩，还需克服本体自重引起的重力转矩G，即关节驱动转矩为F+G，由于在摆臂2角度|θ|在90°附近时，重力引起的转矩G相对摩擦转矩F要大很多，因此如果摆臂2处于匀速旋转状态，则在|θ|=90+α位置将会产生对力矩大小需求的突变，由此可用于确定摆臂2绝对位置点90+α，从而有效获得摆臂2关节的零位校准；
步骤C，在考虑传动过程中的回程误差影响，由于传动机构的回程误差ΔΦ的方向始终与关节受力方向相同，因此利用正负方向不同的零位校准，可获得回程误差大小。
当摆臂2通过正向运动到达正向零位时，考虑误差影响，电机端轴角度则算到末端角度为:θ1=90+α+ΔΦ。当摆臂（2）通过反向运动到达反向零位时，考虑误差影响，电机端轴角度则算到末端角度为:θ2=-90-α-ΔΦ。假设θ1、θ2对应的编码器测量值分别为β1、β2,则摆臂垂直位置零位对应的编码器测量值和传动机构回程误差分别为：θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α；其中β11和β2为通过增量编码器测得值，α为仅与机构形状相关参数，可以一次性方便获取，且同一实物固定不变。
实施例1
仅假设机器人为单摆臂履带结构，如图3所示，即摆臂仅有一个活动关节，如果有多个关节，操作方法一样，在活动空间不干涉的情况下可以同时实施，无须逐个等待完成，一种精确检测方法的实施步骤为：包括A、将机器人平放在场地准备：将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，平面倾斜度≤15°；
B、摩擦力矩检测：首先以不大于电机额度1/2速度，以速度模式，使摆臂在非支撑角度|θ|<90+α范围内连续运动10°左右角度，同时监测电机驱动电流，以匀速旋转状态下的平均电流作为克服摩擦力矩所需驱动电流IF；
C、正向零位检测：完成步骤A之后，保证此时摆臂仍处于非支撑角度范围内，切换控制模式为电流控制模式，最大速度限制在不大于1/5电机额度速度，设置驱动电流为IF，使摆臂正向运动，当判断速度减为0，停留大于3S后即可确定此时摆臂位置为正向参考位置90+α，记录当前电机端增量编码器测得位置值θ1，作为正向零位参考值；
D、反向零位检测：完成步骤B之后，其他状态保持不变，设置驱动电流为-IF，使摆臂反向运动，当判断速度减为0，停留大于3S后即可确定此时摆臂位置为反向参考位置-90-α，记录当前电机端增量编码器测得位置值θ2，作为反向零位参考值；
E、结果计算：根据θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α分别计算摆臂零位对应的传感器测量值θ0和传动机构回程误差Δ。
实施例2
包括:A、将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，平面倾斜度≤15°；B、正向参考位置检测：将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，以速度模式运行，首先使摆臂在非支撑角度|θ|<80+α范围内，以1/5电机额度速度，正向旋转，同时监测对电机驱动电流做与速度环带宽相当的低通滤波后的滤波驱动电流绝对值ICF1，当以ICF1出现2倍以上阶跃突变作为触发源，记录该时刻的编码器测量值作为参考位置值β1，再控制摆臂反向旋转至起始点停止；
C、正向参考位置检测：完成步骤A之后，控制摆臂以1/5电机额度速度，反向旋转，同时监测对电机驱动电流做与速度环带宽相当的低通滤波后的滤波驱动电流绝对值ICF2，当以ICF2出现2倍以上阶跃突变作为触发源，记录该时刻的编码器测量值作为参考位置值β2，再控制摆臂反向旋转至起始点停止；
D、结果计算：根据θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α分别计算摆臂零位对应的传感器测量值θ0和传动机构回程误差Δ。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，包括：在不考虑传动机构回程误差的前提下，假设机器人位于足够大的平面环境中，在完全由履带本体（1）支撑的情况下，履带本体（1）处于水平状态，
如果摆臂（2）位置|θ|＜90+α时，其中α为摆臂（2）形状锥度，则摆臂（2）不支撑本体，因此在匀转速状态，驱动关节所需力仅为克服关节传动摩擦转矩F；
当摆臂（2）位置|θ|≥90+α时，摆臂（2）起到支撑本体的作用，此时驱动关机不仅需要提供摩擦转矩，还需克服本体自重引起的重力转矩G，即关节驱动转矩为F+G，由于在摆臂（2）角度|θ|在90°附近时，重力引起的转矩G相对摩擦转矩F要大很多，因此如果摆臂（2）处于匀速旋转状态，则在|θ|=90+α位置将会产生对力矩大小需求的突变，由此可用于确定摆臂（2）绝对位置点90+α，从而有效获得摆臂（2）关节的零位校准；
在考虑传动过程中的回程误差影响，由于传动机构的回程误差ΔΦ的方向始终与关节受力方向相同，因此利用正负方向不同的零位校准，获得回程误差大小。
2.根据权利要求1所述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，其特征在于：当摆臂（2）通过正向运动到达正向零位时，考虑误差影响，电机端轴角度则算到末端角度为:θ1=90+α+ΔΦ。
3.根据权利要求2所述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，其特征在于：当摆臂（2）通过反向运动到达反向零位时，考虑误差影响，电机端轴角度则算到末端角度为:θ2=-90-α-ΔΦ。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，其特征在于：假设θ1、θ2对应的编码器测量值分别为β1、β2,则摆臂垂直位置零位对应的编码器测量值和传动机构回程误差分别为：θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α；
其中β11和β2为通过增量编码器测得值，α为仅与机构形状相关参数，可以一次性方便获取，且同一实物固定不变。
5.根据权利要求4所述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，其特征在于：包括A、将机器人平放在场地准备：将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，平面倾斜度≤15°；
B、摩擦力矩检测：首先以不大于电机额度1/2速度，以速度模式，使摆臂在非支撑角度|θ|<90+α范围内连续运动10°左右角度，同时监测电机驱动电流，以匀速旋转状态下的平均电流作为克服摩擦力矩所需驱动电流IF；
C、正向零位检测：完成步骤A之后，保证此时摆臂仍处于非支撑角度范围内，切换控制模式为电流控制模式，最大速度限制在不大于1/5电机额度速度，设置驱动电流为IF，使摆臂正向运动，当判断速度减为0，停留大于3S后即可确定此时摆臂位置为正向参考位置90+α，记录当前电机端增量编码器测得位置值θ1，作为正向零位参考值；
D、反向零位检测：完成步骤B之后，其他状态保持不变，设置驱动电流为-IF，使摆臂反向运动，当判断速度减为0，停留大于3S后即可确定此时摆臂位置为反向参考位置-90-α，记录当前电机端增量编码器测得位置值θ2，作为反向零位参考值；
E、结果计算：根据θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α分别计算摆臂零位对应的传感器测量值θ0和传动机构回程误差Δ。
6.根据权利要求4所述的一种用于摆臂式履带机器人零位校准的误差辨识方法，其特征在于包括:A、将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，平面倾斜度≤15°；
B、正向参考位置检测：将机器人置于可以平放支撑的任意平面空间，以速度模式运行，首先使摆臂在非支撑角度|θ|<80+α范围内，以1/5电机额度速度，正向旋转，同时监测对电机驱动电流做与速度环带宽相当的低通滤波后的滤波驱动电流绝对值ICF1，当以ICF1出现2倍以上阶跃突变作为触发源，记录该时刻的编码器测量值作为参考位置值β1，再控制摆臂反向旋转至起始点停止；
C、正向参考位置检测：完成步骤A之后，控制摆臂以1/5电机额度速度，反向旋转，同时监测对电机驱动电流做与速度环带宽相当的低通滤波后的滤波驱动电流绝对值ICF2，当以ICF2出现2倍以上阶跃突变作为触发源，记录该时刻的编码器测量值作为参考位置值β2，再控制摆臂反向旋转至起始点停止；
D、结果计算：根据θ0=(β1+β2)/2；ΔΦ=β1-β2-180-2α分别计算摆臂零位对应的传感器测量值θ0和传动机构回程误差Δ。
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Denomination of invention: Error identification method for zero adjustment for swing arm type tracked robot Effective date of registration: 20180213 Granted publication date: 20170405 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Jiangsu branch Pledgor: NANJING UNI-SPECIALIZED ROBOT TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: 2018320000019 |
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