一种协作机器人电机环路控制系统及制动方法

技术领域

本发明涉及电机系统及控制领域，更具体地说，涉及一种协作机器人电机环路控制系统及制动方法。

背景技术

随着现代化建设步伐的加快，电器产品、家电产品的需求量不断上升，机械化和自动化生产、装配流水线大量增加，工业机器人及机械臂的使用越来越多。

爪盘式刹车常见于协作机器人关节内，爪盘与伺服电机的输出轴连接，电磁铁推杆与爪盘的挡片相碰以阻止制动盘和伺服电机转动从而完成刹车，电磁铁推杆远离挡片完成松开刹车。但在协作机器人的应用中，爪盘式的刹车结构会在电机断电后，由于重力的影响，导致电机加速使爪盘撞击电磁铁推杆，影响刹车寿命以及带来强烈的撞击振动等。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种协作机器人电机环路控制系统，包括误差控制模块、调节模块、逆变模块、电机；

所述误差控制模块与调节模块连接，用于控制电机转动速度不超过最大等效转速；

所述调节模块分别与逆变模块输入端、电机输出端连接，用于接收指令调整生成驱动逆变模块的控制信号；

所述逆变模块与电机输入端连接，用于接收调节模块发出的控制信号，向所述电机提供输入电流以驱动所述电机旋转。

作为一种优选的技术方案，所述误差控制模块为误差滞环控制模块，具体为位置误差滞环控制模块或速度误差滞环控制模块。

作为一种优选的技术方案，所述误差滞环控制模块为位置误差滞环控制模块，与调节模块连接，用于接收上位机发送的位置指令和电机输出的位置反馈信号相比较产生的位置误差，并对此位置误差进行调整输出滞环位置误差；

所述调节模块分别与逆变模块输入端、电机输出端连接，用于接收位置误差滞环控制模块输出的滞环位置误差以及电机输出的速度反馈信号和电流反馈信号，调整生成驱动逆变模块的控制信号；

所述逆变模块与电机输入端连接，用于接收调节模块发出的控制信号，向所述电机提供输入电流以驱动所述电机旋转。

作为一种优选的技术方案，所述位置误差滞环控制模块的滞环宽度与所述最大等效转速成正比，公式如下：滞环宽度(count)/分辨率(count)＝v*t

作为一种优选的技术方案，所述调节模块包括位置调节器、速度调节器、电流调节器；

所述位置调节器与位置误差滞环控制模块的输出端连接，用于获取滞环位置误差，生成速度参考指令；

所述速度调节器与位置调节器连接，用于接收位置调节器输出的速度参考指令和电机输出的速度反馈信号相比较产生的速度误差，生成电流指令；

所述电流调节器分别与速度调节器输出端、逆变模块的输入端连接，用于接收速度调节器输出的电流指令，调整生成驱动逆变模块的控制信号，从而控制所述电机旋转。

作为一种优选的技术方案，所述误差滞环控制模块为速度误差滞环控制模块，与调节模块连接，用于接收上位机发送的速度指令和电机输出的速度反馈信号相比较产生的速度误差，并对此速度误差进行调整输出滞环速度误差；

所述调节模块分别与逆变模块输入端、电机输出端连接，用于接收速度误差滞环控制模块输出的滞环速度误差以及电机输出的电流反馈信号，调整生成驱动逆变模块的控制信号；

所述逆变模块与电机输入端连接，用于接收调节模块发出的控制信号，向所述电机提供输入电流以驱动所述电机旋转。

作为一种优选的技术方案，所述调节模块包括速度调节器、电流调节器；

所述速度调节器与速度误差控制模块的输出端连接，用于获取滞环速度误差，生成电流指令；

所述电流调节器分别与速度调节器输出端、逆变模块的输入端连接，用于接收速度调节器输出的电流指令，调整生成驱动逆变模块的控制信号，从而控制所述电机旋转。

作为一种优选的技术方案，所述调节模块还包括电流比例降低模块，用于控制电机受重力负载影响而转动；

所述电流比例降低模块与速度调节器输出端连接，用于接收速度调节器输出的电流指令，降低此电流得到电流参考指令；

所述电流调节器与电流比例降低模块的输出端连接，用于接收电流比例降低模块输出的电流参考指令和电机输出的电流反馈信号相比较产生的电流误差，调整生成驱动逆变模块的控制信号，从而控制所述电机旋转。

作为一种优选的技术方案，所述环路控制系统还包括位置微分器；所述位置微分器与电机输出端连接，用于获取电机实际位置信息并进行微分处理，得到所述的速度反馈信号。

本发明还可采用如下技术方案：一种协作机器人制动方法，基于所述的电机环路控制系统，包括以下步骤：

步骤S1：降低电机速度至安全转速；

步骤S2：释放刹车，电磁铁推杆推出；

步骤S3：通过电机环路控制系统控制电机的转动；

步骤S4：电机断电。

有益效果：本发明提供的一种协作机器人电机环路控制系统，通过设有的误差控制模块和电流比例降低模块，使得刹车爪盘与电磁铁推杆的撞击速度可控，可有效降低刹车爪盘与电磁铁推杆的撞击，并且不受关节姿态和负载的影响，具有较高的鲁棒性和自适应性，可提高关节制动的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电机环路控制系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的电机环路控制系统结构示意图；

图3为本发明另一个实施例的电机环路控制系统结构示意图；

图4为本发明协作机器人制动方法的流程示意图；

图5为本发明协作机器人制动方法与传统制动方法的制动效果对比图。

具体实施方式

参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种协作机器人电机环路控制系统，如图1所示，包括误差控制模块100、调节模块200、逆变模块300、电机；所述误差控制模块100与调节模块200连接，用于控制电机转动速度不超过最大等效转速；所述调节模块200分别与逆变模块300输入端、电机输出端连接，用于接收指令调整生成驱动逆变模块300的控制信号；所述逆变模块300与电机输入端连接，用于接收调节模块200发出的控制信号，向所述电机提供输入电流以驱动所述电机旋转。

需要说明的是，所述最大等效转速是指刹车爪盘与电磁铁推杆发生可接受程度碰撞时对应的电机速度。

所述误差控制模块100为误差滞环控制模块，具体为位置误差滞环控制模块101或速度误差滞环控制模块102。

在具体实施过程中，由于不知道机器人受到重力因素影响会导致电机正转还是反转，以及不确定刹车爪盘与电磁铁推杆的距离，因此，一般会通过位置误差滞环控制模块101去控制，让刹车爪盘受控运行到电磁铁推杆处。

在一种实施方式中，如图2所示，所述误差滞环控制模块为位置误差滞环控制模块101，与调节模块200连接，用于接收上位机发送的位置指令和电机输出的位置反馈信号相比较产生的位置误差，并对此位置误差进行调整输出滞环位置误差；所述调节模块200分别与逆变模块300输入端、电机输出端连接，用于接收位置误差滞环控制模块101输出的滞环位置误差以及电机输出的速度反馈信号和电流反馈信号，调整生成驱动逆变模块300的控制信号；所述逆变模块300与电机输入端连接，用于接收调节模块200发出的控制信号，向所述电机提供输入电流以驱动所述电机旋转。所述位置误差滞环控制模块101的滞环宽度与所述最大等效转速成正比，公式如下：滞环宽度(count)/分辨率(count)＝v*t

优选的，所述调节模块200包括位置调节器201、速度调节器202、电流调节器204；所述位置调节器201与位置误差滞环控制模块101的输出端连接，用于获取滞环位置误差，生成速度参考指令；所述速度调节器202与位置调节器201连接，用于接收位置调节器201输出的速度参考指令和电机输出的速度反馈信号相比较产生的速度误差，生成电流指令；所述电流调节器204分别与速度调节器202输出端、逆变模块300的输入端连接，用于接收速度调节器202输出的电流指令，调整生成驱动逆变模块300的控制信号，从而控制所述电机旋转。

更优选的，所述调节模块200还包括电流比例降低模块203，用于控制电机受重力负载影响而转动，即控制电机受重力负载加速转动；所述电流比例降低模块203与速度调节器202输出端连接，用于接收速度调节器202输出的电流指令，降低此电流得到电流参考指令；所述电流调节器204与电流比例降低模块203的输出端连接，用于接收电流比例降低模块203输出的电流参考指令和电机输出的电流反馈信号相比较产生的电流误差，调整生成驱动逆变模块300的控制信号，从而控制所述电机旋转。

更优选的，所述环路控制系统还包括位置微分器400；所述位置微分器400与电机输出端连接，用于获取电机实际位置信息并进行微分处理，得到所述的速度反馈信号。

在电机静止时，位置误差基本为0，电机力矩与负载力矩平衡；之后电流比例降低模块203会让电机受重力影响转动，位置误差滞环控制模块101进一步会控制电机转速不超过位置误差滞环控制模块101的滞环宽度对应的最大等效转速，直到刹车爪盘与电磁铁推杆碰撞。在这个过程中，电机转速稳定可控，能够最大程度降低爪盘与电磁铁推杆的撞击力度，并且不受关节姿态和负载的影响，具有较高的鲁棒性和自适应性。

在具体的作用过程中，假设刹车爪盘为5爪，则电机的移动距离S不能超过0.2rev；并且假设协作机器人允许的制动时间为1s，刹车爪盘在与电磁铁推杆碰撞时转速为25rpm时，碰撞声音可以接受。

在所述电流比例降低模块203作用下，电机受重力负载影响而转动，由于负载变化不大，假设加速度a恒定。那么在下落过程中做匀加速运动，则移动距离S＝1/2at

由v＝v

若重力本身的加速度a＜24rpm/s，则刹车爪盘在与电磁铁推杆碰撞时转速v＜24rpm，处于碰撞声音可接受范围内。

若重力本身的加速度a＞24rpm/s，则可通过位置误差滞环控制模块101控制刹车爪盘在与电磁铁推杆碰撞时转速v为24rpm，此时加速时间t

其中所述的电流比例降低模块203的降低比例，需要根据实际工况测试得到，本工况最后的测试比例约为10％/(0.5ms)。

在另一种实施方式中，如图3所示，所述误差滞环控制模块为速度误差滞环控制模块102，与调节模块200连接，用于接收上位机发送的速度指令和电机输出的速度反馈信号相比较产生的速度误差，并对此速度误差进行调整输出滞环速度误差；所述调节模块200分别与逆变模块300输入端、电机输出端连接，用于接收速度误差滞环控制模块102输出的滞环速度误差以及电机输出的电流反馈信号，调整生成驱动逆变模块300的控制信号；所述逆变模块300与电机输入端连接，用于接收调节模块200发出的控制信号，向所述电机提供输入电流以驱动所述电机旋转。所述速度误差滞环控制模块102的滞环宽度为最大等效转速。

优选的，所述调节模块200包括速度调节器202、电流调节器204；所述速度调节器202与速度误差控制模块的输出端连接，用于获取滞环速度误差，生成电流指令；所述电流调节器204分别与速度调节器202输出端、逆变模块300的输入端连接，用于接收速度调节器202输出的电流指令，调整生成驱动逆变模块300的控制信号，从而控制所述电机旋转。

更优选的，所述调节模块200还包括电流比例降低模块203，用于控制电机受重力负载影响而转动，即控制电机受重力负载加速转动；所述电流比例降低模块203与速度调节器202输出端连接，用于接收速度调节器202输出的电流指令，降低此电流得到电流参考指令；所述电流调节器204与电流比例降低模块203的输出端连接，用于接收电流比例降低模块203输出的电流参考指令和电机输出的电流反馈信号相比较产生的电流误差，调整生成驱动逆变模块300的控制信号，从而控制所述电机旋转。

更优选的，所述环路控制系统还包括位置微分器400；所述位置微分器400与电机输出端连接，用于获取电机实际位置信息并进行微分处理，得到所述的速度反馈信号。

在电机静止时，速度误差基本为0，电机力矩与负载力矩平衡；之后电流比例降低模块203会让电机受重力影响转动，速度误差滞环控制模块102进一步会控制电机转速不超过速度误差滞环控制模块102的滞环宽度对应的最大等效转速，直到刹车爪盘与电磁铁推杆碰撞。在这个过程中，电机转速稳定可控，能够最大程度降低爪盘与电磁铁推杆的撞击力度，并且不受关节姿态和负载的影响，具有较高的鲁棒性和自适应性。

在具体的作用过程中，假设刹车爪盘为5爪，则电机的移动距离S不能超过0.2rev；并且假设协作机器人允许的制动时间为1s，刹车爪盘在与电磁铁推杆碰撞时转速为25rpm时，碰撞声音可以接受。

在所述电流比例降低模块203作用下，电机受重力负载影响而转动，由于负载变化不大，假设加速度a恒定。那么在下落过程中做匀加速运动，则移动距离S＝1/2at

由v＝v

若重力本身的加速度a＜24rpm/s，则刹车爪盘在与电磁铁推杆碰撞时转速v＜24rpm，处于碰撞声音可接受范围内。

若重力本身的加速度a＞24rpm/s，则可通过速度误差滞环控制模块102控制刹车爪盘在与电磁铁推杆碰撞时转速v为24rpm，此时加速时间t

其中所述的电流比例降低模块203的降低比例，需要根据实际工况测试得到，本工况最后的测试比例约为10％/(0.5ms)。

本发明还提供了一种协作机器人制动方法，如图4所示，基于上文所述的电机环路控制系统，包括以下步骤：

步骤S1：降低电机速度至安全转速；

步骤S2：释放刹车，电磁铁推杆推出；

步骤S3：通过电机环路控制系统控制电机的转动；

步骤S4：电机断电。

优选的，所述一种协作机器人制动方法，包括以下步骤：

步骤S1：降低电机速度至安全转速；

步骤S2：释放刹车，电磁铁推杆推出；

步骤S3：通过电流比例降低模块控制电机受重力负载加速，误差控制模块控制电机转速不超过滞环宽度对应的最大等效转速；

步骤S4：电机断电。

如图5所示，采用本发明提供的制动方法在协作机器人掉使能时，相对于传统刹车转速，能够使得刹车爪盘与电磁铁推杆的撞击速度可控，可有效降低刹车爪盘与电磁铁推杆的撞击，可提高关节制动的稳定性。

本发明还提供了一种电子设备，该实施例的电子设备包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如上文所述的协作机器人制动方法。

需要说明的是，所述电子设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。该电子设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。所述存储器在一些实施例中可以是所述电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述电子设备的外部存储设备，例如所述电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的协作机器人制动方法。

本发明实施例提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的协作机器人制动方法中的操作，还可以执行本发明实施例所提供的电机环路控制系统中的相关操作，且具备相应的功能和有益效果。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是机器人，

个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明所述的协作机器人制动方法。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里上述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。