基于振动检测的机器人铝立柱运行平稳性控制方法与流程

本发明涉及机器人运行控制。更具体地，本发明涉及基于振动检测的机器人铝立柱运行平稳性控制方法。

背景技术：

1、在具有机器人底盘和可相对机器人底盘竖直伸缩的铝立柱的机器人中，可以通过升降驱动机构改变铝立柱的伸出位置，从而调节设置于铝立柱上部的机器人作业部件的作业高度。在机器人运行过程中，机器人底盘运动、铝立柱升降运动以及铝立柱自身的伸缩结构均会影响立柱上部的振动状态，因此，立柱上部振动是影响机器人升降运行平稳性的因素之一。

2、为改善升降过程中的振动，一种控制思路是检测机器人运行过程中的振动大小，并根据检测得到的振动大小调整铝立柱的升降速度。例如，在检测到振动增大时降低升降速度，以减小升降运动产生的振动，或者根据不同运行状态改变升降速度，使机器人在满足作业要求的情况下保持较平稳的运行状态。

3、然而，在铝立柱升降过程中，机器人底盘的运行状态、铝立柱的伸出位置以及铝立柱自身的升降运动状态均可能影响立柱上部的振动水平，不同伸出位置和不同运行状态下，相同的升降速度调整对立柱上部振动的影响可能不同。因此，仅根据当前检测到的总体振动大小直接调整升降速度，难以确定调整后的升降过程是否能够使立柱上部的总体振动得到改善。

技术实现思路

1、为解决上述现有根据振动大小调整升降速度的方式难以稳定降低机器人铝立柱上部振动的技术问题，本发明提供了基于振动检测的机器人铝立柱运行平稳性控制方法，包括：

2、采集底盘振动数据和立柱上部振动数据，获取伸出位置、升降速度、升降加速度和升降加加速度；根据底盘振动数据和伸出位置，通过位置相关振动传播关系形成底盘传播振动作用量；按频率间隔对有效频率点的立柱上部净振动功率谱密度求和，形成立柱上部实测振动作用量；根据伸出位置、升降速度、升降加速度和升降加加速度，通过升降运动关联振动关系形成升降运动关联振动作用量；根据底盘传播振动作用量、升降运动关联振动作用量和立柱上部实测振动作用量确定振动作用路径状态；

3、根据当前伸出位置、升降速度、升降加速度和目标伸出位置形成基准升降轨迹，并根据振动作用路径状态调整升降速度生成候选升降轨迹，使候选升降轨迹与基准升降轨迹具有相同的起止运动状态；

4、分别按照基准升降轨迹和候选升降轨迹从起始伸出位置至到达预测终止位置的执行时间，对预测底盘传播振动作用量和升降运动关联振动作用量进行累计，形成基准升降轨迹和候选升降轨迹各自的底盘传播振动累计作用量和升降运动关联振动累计作用量；将同一升降轨迹的底盘传播振动累计作用量与升降运动关联振动累计作用量之和作为预测立柱上部振动累计作用量；根据底盘传播预测误差界限、升降运动关联预测误差界限和联合预测误差界限形成振动累计作用量的预测上界和预测下界；

5、根据振动作用路径状态及振动累计作用量的预测上界和预测下界执行候选升降轨迹或基准升降轨迹。

6、优选地，所述采集底盘振动数据和立柱上部振动数据，获取伸出位置、升降速度、升降加速度和升降加加速度，包括：

7、在机器人底盘侧的底盘与铝立柱连接处设置第一三轴加速度检测单元，在铝立柱最上级活动结构与机器人作业部件连接处设置第二三轴加速度检测单元；将第一三轴加速度检测单元和第二三轴加速度检测单元有效频率范围的交集作为共同有效检测频带，选取奈奎斯特频率能够覆盖共同有效检测频带上限的最小采样频率，以覆盖共同有效检测频带下限对应最低频率一个完整周期的最少整数采样点数作为分析子窗口的采样点数，三个连续、等长且互不重叠的分析子窗口构成完整振动观测窗口；对每个分析子窗口内三个检测轴的加速度序列去除直流分量后计算单边功率谱密度，将同一三轴加速度检测单元三个检测轴在相同频率点的单边功率谱密度相加形成总振动功率谱密度；同步记录伸出位置、升降速度和升降加速度，并根据分析子窗口时间中心前后相邻升降加速度及时间间隔形成升降加加速度。

8、优选地，所述位置相关振动传播关系的获取方法为：

9、标定铝立柱工作行程下限、工作行程上限和各级伸缩柱体开始伸出或结束伸出的位置，形成标定伸出位置表；在每个标定伸出位置采集静止状态和底盘标定运动状态的总振动功率谱密度；对于每个频率点，在全部静止状态中，取第一三轴加速度检测单元在该频率点的总振动功率谱密度最大值作为该频率点的底盘静止背景参考功率谱密度，取第二三轴加速度检测单元在该频率点的总振动功率谱密度最大值作为该频率点的立柱上部静止背景参考功率谱密度；在各频率点，将底盘标定运动状态下第一三轴加速度检测单元的平均总振动功率谱密度扣除该频率点的底盘静止背景参考功率谱密度，扣除结果小于零时取零，形成该频率点的底盘净振动功率谱密度；在各频率点，将底盘标定运动状态下第二三轴加速度检测单元的平均总振动功率谱密度扣除该频率点的立柱上部静止背景参考功率谱密度，扣除结果小于零时取零，形成该频率点的立柱上部净振动功率谱密度；将全部标定伸出位置上底盘净振动功率谱密度和立柱上部净振动功率谱密度均不为零的频率点作为有效频率点；将同一标定伸出位置下立柱上部净振动功率谱密度与底盘净振动功率谱密度的比值作为振动功率传播系数；相邻标定伸出位置之间按伸出位置线性插值振动功率传播系数。

10、优选地，所述根据底盘振动数据和伸出位置，通过位置相关振动传播关系形成底盘传播振动作用量，包括：

11、获取分析子窗口在有效频率点的底盘净振动功率谱密度；获取分析子窗口时间中心对应伸出位置在有效频率点的振动功率传播系数；将每个有效频率点的底盘净振动功率谱密度、振动功率传播系数和频率间隔的乘积求和，得到分析子窗口的底盘传播振动作用量；将完整振动观测窗口内三个分析子窗口的底盘传播振动作用量的算术平均值作为完整振动观测窗口的底盘传播振动作用量；将当前完整振动观测窗口在有效频率点的底盘净振动功率谱密度、当前伸出位置在有效频率点的振动功率传播系数和频率间隔的乘积求和，作为预测底盘传播振动作用量。

12、优选地，所述按频率间隔对有效频率点的立柱上部净振动功率谱密度求和，形成立柱上部实测振动作用量，包括：

13、获取分析子窗口在有效频率点的立柱上部净振动功率谱密度；将每个有效频率点的立柱上部净振动功率谱密度与频率间隔的乘积求和，得到分析子窗口的立柱上部实测振动作用量；将完整振动观测窗口内三个分析子窗口的立柱上部实测振动作用量的算术平均值作为完整振动观测窗口的立柱上部实测振动作用量。

14、优选地，所述升降运动关联振动关系的获取方法为：

15、在机器人底盘静止条件下，控制铝立柱执行升降标定轨迹，并采集升降运动标定样本；在标定伸出位置采集静止状态作为零运动标定样本；以升降速度平方、升降加速度平方和升降加加速度平方作为拟合变量，以立柱上部实测振动作用量作为拟合目标，确定常数项拟合系数、升降速度平方项拟合系数、升降加速度平方项拟合系数和升降加加速度平方项拟合系数；将能够唯一确定四个拟合系数的标定伸出位置作为有效标定位置；对相邻有效标定位置之间的四个拟合系数按伸出位置线性插值；重新执行升降标定轨迹获取验证数据；将同时出现在升降运动标定样本和验证数据中的升降方向作为已验证升降方向。

16、优选地，所述根据底盘传播振动作用量、升降运动关联振动作用量和立柱上部实测振动作用量确定振动作用路径状态，包括：

17、当完整振动观测窗口数据有效且立柱上部实测振动作用量与底盘传播振动作用量和升降运动关联振动作用量之和的绝对差值不大于联合预测误差界限时，以底盘传播振动作用量减去底盘传播预测误差界限与零中的最大值为下界，以底盘传播振动作用量加上底盘传播预测误差界限为上界，形成底盘传播振动作用区间；以升降运动关联振动作用量减去升降运动关联预测误差界限与零中的最大值为下界，以升降运动关联振动作用量加上升降运动关联预测误差界限为上界，形成升降运动关联振动作用区间；当升降运动关联振动作用区间的下界大于底盘传播振动作用区间的上界时，确定为升降运动关联主导状态；当底盘传播振动作用区间的下界大于升降运动关联振动作用区间的上界时，确定为底盘传播主导状态；否则确定为不可确定状态。

18、优选地，所述根据当前伸出位置、升降速度、升降加速度和目标伸出位置形成基准升降轨迹，并根据振动作用路径状态调整升降速度生成候选升降轨迹，使候选升降轨迹与基准升降轨迹具有相同的起止运动状态，包括：

19、沿基准升降轨迹确定后续升降方向；当后续升降方向属于已验证升降方向时，将目标伸出位置与沿后续升降方向首先到达的标定伸出位置中先到达者作为预测终止位置；将起始伸出位置至预测终止位置的距离除以基准升降轨迹从候选升降轨迹起始时刻开始第一次到达预测终止位置所需的时间，得到基准平均升降速度；升降运动关联主导状态下，选择升降驱动控制器允许设定、与后续升降方向一致且升降速度绝对值小于基准平均升降速度的升降速度，并将所选升降速度的绝对值作为候选平均升降速度；底盘传播主导状态下，选择升降驱动控制器允许设定、与后续升降方向一致且升降速度绝对值大于基准平均升降速度的升降速度，并将所选升降速度的绝对值作为候选平均升降速度；以基准升降轨迹在候选升降轨迹起始时刻以及第一次到达预测终止位置时的伸出位置、升降速度和升降加速度作为边界条件形成候选升降轨迹。

20、优选地，所述根据振动作用路径状态及振动累计作用量的预测上界和预测下界执行候选升降轨迹或基准升降轨迹，包括：

21、升降运动关联主导状态下，当候选升降轨迹的升降运动关联振动累计作用量的预测上界小于基准升降轨迹的升降运动关联振动累计作用量的预测下界，且候选升降轨迹的预测立柱上部振动累计作用量的预测上界小于基准升降轨迹的预测立柱上部振动累计作用量的预测下界时，执行候选升降轨迹，否则执行基准升降轨迹；底盘传播主导状态下，当候选升降轨迹的底盘传播振动累计作用量的预测上界小于基准升降轨迹的底盘传播振动累计作用量的预测下界，且候选升降轨迹的预测立柱上部振动累计作用量的预测上界小于基准升降轨迹的预测立柱上部振动累计作用量的预测下界时，执行候选升降轨迹，否则执行基准升降轨迹。

22、优选地，所述底盘传播预测误差界限、升降运动关联预测误差界限和联合预测误差界限的获取方法为：

23、在各标定伸出位置重新执行底盘标定运动获取底盘传播验证数据，将底盘传播验证数据中底盘传播振动作用量与立柱上部实测振动作用量的绝对差值最大值作为底盘传播预测误差界限；在机器人底盘静止条件下重新执行升降标定轨迹获取升降运动关联验证数据，将升降运动关联验证数据中升降运动关联振动作用量与立柱上部实测振动作用量的绝对差值最大值作为升降运动关联预测误差界限；在机器人底盘运动和铝立柱升降同时存在的条件下获取联合验证数据，将联合验证数据中立柱上部实测振动作用量与底盘传播振动作用量和升降运动关联振动作用量之和的绝对差值最大值作为联合预测误差界限。

24、本发明的有益效果在于：本发明通过位置相关振动传播关系和升降运动关联振动关系分别表征机器人底盘振动经当前铝立柱伸出结构向立柱上部传播所形成的振动作用以及铝立柱升降运动所关联的振动作用，并结合立柱上部实测振动作用量和预测误差界限确定当前振动作用路径状态，使升降控制不再仅依据立柱上部总振动大小直接选择加速或减速。

25、进一步地，本发明将振动作用路径状态仅作为候选升降轨迹调整方向的确定依据，并使候选升降轨迹与基准升降轨迹具有相同的起止状态，再分别沿两条升降轨迹累计底盘传播振动作用和升降运动关联振动作用，从而在同一次候选调整中同时考虑升降速度改变引起的升降运动关联振动变化，以及通过时间改变引起的底盘传播振动累计作用变化。

26、在此基础上，仅当候选升降轨迹在当前主导振动作用路径上的累计振动作用以及预测立柱上部总累计振动作用均在对应预测误差范围内确定降低时才执行候选升降轨迹，从而降低一条振动作用路径上的振动作用降低而另一条振动作用路径上的振动作用增加，导致总体振动改善效果被抵消的风险，有利于提高机器人铝立柱升降过程中立柱上部的运行平稳性。