貝加萊機器人控制中的慣量前饋控制技術(shù)

前言
機器人慣量前饋技術(shù)是貝加萊公司的一項非常重要的技術(shù)，即使在整個業(yè)界也是一項前沿的技術(shù)，它能解決機器人在運動過程中抖動的問題，提升機器人系統(tǒng)的精度和效率。目前該項技術(shù)僅為業(yè)內(nèi)少數(shù)公司擁有。

一、慣量匹配與扭矩前饋

對于運動控制而言，慣量匹配是一項非常重要的特性需求，而對于驅(qū)動器，良好的慣量匹配才能產(chǎn)生更好的動態(tài)性能，在理想的剛性連接情況下，僅需計算出所需扭矩即可驅(qū)動系統(tǒng)，使其處于高動態(tài)特性運轉(zhuǎn)，然而，由于機械系統(tǒng)的連接具有的彈性變形，例如減速機、皮帶、聯(lián)軸器等，使其無法實現(xiàn)真正意義上的高動態(tài)控制特性，這就帶來了慣量匹配的問題。在驅(qū)動器對負載的控制過程中，其電流環(huán)的計算周期非常快，在慣量匹配值較大的情況下，系統(tǒng)需要給出一個非常大的偏差才能在PID調(diào)節(jié)中實現(xiàn)輸出，然而，這一扭矩輸出會產(chǎn)生較大的振動。

貝加萊提供一種力矩前饋控制的模型用于解決這一問題，通過快速給出慣量則能實現(xiàn)穩(wěn)定的控制。但是，對于機器人系統(tǒng)而言，其關(guān)節(jié)連接處于多個維度的運動狀態(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器人系統(tǒng)的高速運行呢？

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

二、機器人機械振動的問題

拉格朗日方程描述了機器人在整個運動過程中的動力學(xué)能量問題，動能與勢能的產(chǎn)生影響了機器人運動過程中的力矩、位置等參數(shù)的變化，例如機器人運動過程中由于機械臂位置變化而產(chǎn)生的勢能變化。

在機器人系統(tǒng)中，由于機器人的各個關(guān)節(jié)的機械特性隨著運動過程的變化，其慣量也產(chǎn)生了變化，例如，當(dāng)機械臂處于X軸方向伸長時，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)這個臂旋轉(zhuǎn)超過90度~180度范圍時，則其慣量又開始變大。由于這種慣量所產(chǎn)生的變化，會對驅(qū)動器整個控制過程產(chǎn)生調(diào)制振動，這也是目前機器人控制中普遍存在的問題。

三、貝加萊動態(tài)慣量前饋技術(shù)
貝加萊運動控制技術(shù)中的慣量動態(tài)前饋技術(shù)能夠很好的解決這一問題，對于機器人系統(tǒng)而言，其慣量的變化是一個動態(tài)過程，同時也是一個在數(shù)學(xué)上可建模的過程，因此，可以通過建立動態(tài)的慣量模型來為系統(tǒng)的控制提供前饋變量，如下圖1所示。

圖1 前饋模型
在這個模型中，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)前值和機械常數(shù)來計算出整個運動過程的慣量變化，并計算出力矩輸出的前饋值給電機，該值與控制器給定值在電流環(huán)中的控制輸出進行疊加，使得扭矩輸出可以快速的實現(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械慣量的變化，達到較好的控制狀態(tài)。

四、基于MATLAB/Simulink的前饋模型設(shè)計

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MATLAB/Simulink仿真工具建模生成的控制器模型可以通過代碼自動生成技術(shù)產(chǎn)生控制器的C代碼，而這一代碼無需手工重寫即可導(dǎo)入到BR控制器中，從而實現(xiàn)在環(huán)測試。