一种柔性多关节机器人电流力控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种柔性多关节机器人电流力控制系统，包括运动学建模模块用于建立柔性多关节机器人的动力学结构模型，求解柔性机器人的动力学方程的正逆动力学，计算得到所需关节驱动力矩值；动力学重力补偿模块用于计算连杆的速度和加速度，计算连杆间的相互作用力、力矩以及关节驱动力矩，进行重力补偿；摩擦力补偿模块用于根据驱动器的力矩曲线进行摩擦力补偿；柔性多关节机器人的电机根据运动学建模模块计算得到的关节驱动力矩值、动力学重力补偿模块计算得到的重力补偿以及摩擦力补偿模块计算得到的摩擦力补偿，来控制柔性多关节机器人运动。同时公开一种柔性多关节机器人电流力控制方法。本发明专利技术具有有效降低控制算法复杂度的有益效果。

A Current Force Control System and Method for Flexible Multi-Joint Robot

The invention discloses a current force control system for flexible multi-joint robot, which includes kinematics modeling module for establishing dynamic structure model of flexible multi-joint robot, solving forward and inverse dynamics of dynamic equation of flexible robot, calculating required joint driving moment value, dynamic gravity compensation module for calculating speed and acceleration of connecting rod and calculating inter-connecting rod. The interaction force, moment and joint driving moment are compensated by gravity; the friction compensation module is used to compensate the friction force according to the moment curve of the actuator; the motor of flexible multi-joint robot is calculated by the joint driving moment calculated by the kinematics modeling module, the gravity compensation calculated by the dynamic gravity compensation module and the friction compensation module. Friction compensation is used to control the motion of flexible multi-joint robots. A current force control method for flexible multi-joint robots is also disclosed. The invention has the beneficial effect of effectively reducing the complexity of the control algorithm.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性多关节机器人电流力控制系统及方法
本专利技术涉及机器人
，尤其是涉及柔性多关节机器人电流力控制系统及方法。
技术介绍
目前，在机器人日益飞速发展的今天，随着新一代工业机器人的兴起，关节转矩传感与柔性控制技术受到普遍重视和广泛应用。以往传统工业机器人力控制技术在力控制传感器ATI的支持下，将力和力矩大小反馈给机器人，从而实现传统工业机器人的末端柔性力控制和手把手示教。现有的新一代工业机器人关节转矩传感与力控制技术采用应变片或电流检测关节转矩，力控制的判断直接针对关节便于实现安全柔顺控制。虽然可以进行力控制和手把手示教，但是其主要缺点：采用应变片传感增加关节柔性，控制算法复杂。本专利技术的新型柔性多关节机器人电流力控制方法不依赖力传感器，可以依靠电流来检测力的大小。通过建立柔性多关节机器人动力学结构模型，对重力进行补偿，再对摩擦力进行摩擦辨识。将驱动器实时检测的电流值转换为扭矩值与动力学计算的扭矩值相互比较进而进行机器人的关节力控制技术。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有柔性多关节机器人依赖力传感器检测力的大小，控制算法复杂的技术问题，提供一种柔性多关节机器人电流力控制方法，能够协调质量分配，并实现多种驱动控制方式。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种柔性多关节机器人电流力控制系统，包括以下模块：运动学建模模块，用于建立柔性多关节机器人的动力学结构模型，求解柔性机器人的动力学方程的正逆动力学，计算得到所需关节驱动力矩值；动力学重力补偿模块，用于计算连杆的速度和加速度，计算连杆间的相互作用力、力矩以及关节驱动力矩，进行重力补偿；摩擦力补偿模块，用于根据驱动器的力矩曲线进行摩擦力辨识，进行摩擦力补偿；所述柔性多关节机器人的电机根据所述运动学建模模块计算得到的关节驱动力矩值、所述动力学重力补偿模块计算得到的重力补偿以及摩擦力补偿模块计算得到的摩擦力补偿，来控制柔性多关节机器人运动。一些实施例中，所述柔性多关节机器人电流力控制系统还包括滤波器模块，用于根据算数平均值滤波法过滤驱动器在启动和停止时产生的干扰信号。一些实施例中，所述柔性多关节机器人电流力控制系统还包括拖拽示教模块，用于进行机器人拖曳式示教，记录机器人的位置点。一些实施例中，运动学建模模块建立正运动学方程的具体过程为：根据MDH坐标关系表建立传递变换矩阵方程，运用正解相乘矩阵乘积得到运动学正解关系表达式：其中，ai-1表示连杆的长度，是zi-1与zi之间的公垂线。αi-1表示连杆的转角，是zi-1与zi之间的角度，di表示连杆的偏距，表示zi轴上两条相邻的公垂线之间的距离，θi表示关节角，使xi-1与xi相互平行绕z轴旋转的角度；i表示当前坐标系号；i-1上一个坐标系号；cθi代表cosθi；sθi代表sinθi；T旋转矩阵；旋转矩阵T是{i}坐标系相对于{i-1}坐标系的描述；通过牛顿迭代方程组计算得到六个关节位置值，求解关节位置值的具体步骤为：由牛顿迭代方程组计算关节位置值，牛顿法下山法的迭代公式为：xn+1＝xn-ω(F′(xn))-1F(xn)其中，x＝[θ1θ2…θ6]；n+1表示当前时刻；n表示上一个时刻；ω表示下山因子，一般ω＝0.5；F(xn)为雅克比矩阵，表示当前时刻x的表达关系式；求解雅克比矩阵J，且保证其始终可逆：从而完成正反运动学的求解。一些实施例中，所述动力学重力补偿模块进行重力补偿的具体过程为：首先对每个连杆应用牛顿-欧拉方程，从连杆1到连杆n向外迭代计算连杆的速度和加速度，采用牛顿-欧拉外推法：其中，i的取值为0，1，2，3，4，5；i+1ωi+1为连杆{i+1}角速度；为角加速度；为坐标系{i+1}原点的线加速度；为连杆{i+1}质心的线加速度；i+1Fi+1为连杆{i+1}质心的惯性力；i+1Ni+1为连杆{i+1}质心上的力矩；mi+1为连杆{i+1}的质量；为连杆{i+1}的惯性参数；从连杆n到连杆1向内迭代计算连杆间的相互作用力和力矩以及关节驱动力矩，采用牛顿-欧拉内推法：其中，i的取值为6，5，4，3，2，1；ifi为在坐标系i中，连杆i-1施加在连杆i上的力；ii为在坐标系i中，连杆i-1施加在连杆i上的力矩；τi为在移动关节i上的线性驱动力。为解决上述技术问题，本专利技术采用的另一个技术方案是：提供柔性多关节机器人电流力控制方法，包括以下步骤：进行运动学建模，建立柔性多关节机器人的动力学结构模型，求解柔性机器人的动力学方程的正逆动力学，计算得到所需关节驱动力矩值；计算连杆的速度和加速度，计算连杆间的相互作用力、力矩以及关节驱动力矩，进行重力补偿；根据驱动器的力矩曲线计算柔性关节的摩擦力，进行摩擦力补偿；所述柔性多关节机器人的电机根据所需关节驱动力矩值、重力补偿以及摩擦力补偿，来控制柔性多关节机器人运动。一些实施例中，所述柔性多关节机器人电流力控制方法还包括以下步骤：根据算数平均值滤波法过滤驱动器在启动和停止时产生的干扰信号。一些实施例中，所述柔性多关节机器人电流力控制方法还包括以下步骤：进行机器人拖曳式示教，记录机器人的位置点。一些实施例中，所述柔性多关节机器人具有六个自由度，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11、根据MDH坐标关系表建立传递变换矩阵方程，运用正解相乘矩阵乘积得到运动学正解关系表达式：其中，ai-1表示连杆的长度，是MDH坐标中zi-1与zi之间的公垂线，ai-1表示连杆的转角，为MDH坐标中zi-1与zi之间的角度；di表示连杆的偏距，为MDH坐标中zi轴上两条相邻的公垂线之间的距离；θi表示关节角，为MDH坐标中xi-1与xi相互平行绕z轴旋转的角度；i表示当前坐标系号；i-1上一个坐标系号；cθi代表cosθi；sθi代表sinθi；T旋转矩阵；旋转矩阵T是{i}坐标系相对于{i-1}坐标系的描述；S12、通过牛顿迭代方程组计算得到六个关节位置值，求解关节位置值：由牛顿迭代方程组计算关节位置值，牛顿法下山法的迭代公式为：xn+1＝xn-ω(F′(xn))-1F(xn)其中，x＝[θ1θ2…θ6]；n+1表示当前时刻；n表示上一个时刻；ω表示下山因子，一般ω＝0.5；F(xn)为雅克比矩阵，表示当前时刻x的表达关系式；S13、求解雅克比矩阵J，且保证其始终可逆：从而完成正反运动学的求解。一些实施例中，步骤S3重力补偿的具体过程为：S31、对每个连杆应用牛顿-欧拉方程，从连杆1到连杆n向外迭代计算连杆的速度和加速度，采用牛顿-欧拉外推法：其中，i的取值为0，1，2，3，4，5；i+1ωi+1为连杆{i+1}角速度；为角加速度；为坐标系{i+1}原点的线加速度；为连杆{i+1}质心的线加速度；i+1Fi+1为连杆{i+1}质心的惯性力；i+1Ni+1为连杆{i+1}质心上的力矩；mi+1为连杆{i+1}的质量；为连杆{i+1}的惯性参数；S32、从连杆n到连杆1向内迭代计算连杆间的相互作用力和力矩以及关节驱动力矩，采用牛顿-欧拉内推法：其中，i的取值为6，5，4，3，2，1；ifi为在坐标系i中，连杆i-1施加在连杆i上的力；ii为在坐标系i中，连杆i-1施加在连杆i上的力矩；τi为在移动关节i上的线性驱动力。本专利技术的有益效果是：区别于现有技术的情况，本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性多关节机器人电流力控制系统，其特征在于，包括以下模块：运动学建模模块，用于建立柔性多关节机器人的动力学结构模型，求解柔性机器人的动力学方程的正逆动力学，计算得到所需关节驱动力矩值；动力学重力补偿模块，用于计算连杆的速度和加速度，计算连杆间的相互作用力、力矩以及关节驱动力矩，进行重力补偿；摩擦力补偿模块，用于根据驱动器的力矩曲线进行摩擦力辨识，进行摩擦力补偿；所述柔性多关节机器人的电机根据所述运动学建模模块计算得到的关节驱动力矩值、所述动力学重力补偿模块计算得到的重力补偿以及摩擦力补偿模块计算得到的摩擦力补偿，来控制柔性多关节机器人运动。

【技术特征摘要】
1.一种柔性多关节机器人电流力控制系统，其特征在于，包括以下模块：运动学建模模块，用于建立柔性多关节机器人的动力学结构模型，求解柔性机器人的动力学方程的正逆动力学，计算得到所需关节驱动力矩值；动力学重力补偿模块，用于计算连杆的速度和加速度，计算连杆间的相互作用力、力矩以及关节驱动力矩，进行重力补偿；摩擦力补偿模块，用于根据驱动器的力矩曲线进行摩擦力辨识，进行摩擦力补偿；所述柔性多关节机器人的电机根据所述运动学建模模块计算得到的关节驱动力矩值、所述动力学重力补偿模块计算得到的重力补偿以及摩擦力补偿模块计算得到的摩擦力补偿，来控制柔性多关节机器人运动。2.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人电流力控制系统，其特征在于，所述柔性多关节机器人电流力控制系统还包括滤波器模块，用于根据算数平均值滤波法过滤驱动器在启动和停止时产生的干扰信号。3.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人电流力控制系统，其特征在于，所述柔性多关节机器人电流力控制系统还包括拖拽示教模块，用于进行机器人拖曳式示教，记录机器人的位置点。4.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人电流力控制系统，其特征在于，运动学建模模块建立正运动学方程的具体过程为：根据MDH坐标关系表建立传递变换矩阵方程，运用正解相乘矩阵乘积得到运动学正解关系表达式：其中，ai-1表示连杆的长度，是MDH坐标中zi-1与zi之间的公垂线，αi-1表示连杆的转角，为MDH坐标中zi-1与zi之间角度；di表示连杆的偏距，为MDH坐标中zi轴上两条相邻的公垂线之间的距离；θi表示关节角，为MDH坐标中xi-1与xi相互平行绕z轴旋转的角度；i表示当前坐标系号；i-1上一个坐标系号；cθi代表cosθi；sθi代表sinθi；T旋转矩阵；旋转矩阵T是{i}坐标系相对于{i-1}坐标系的描述；通过牛顿迭代方程组计算得到六个关节位置值，求解关节位置值的具体步骤为：由牛顿迭代方程组计算关节位置值，牛顿法下山法的迭代公式为：xn+1＝xn-ω(F′(xn))-1F(xn)其中，x＝[θ1θ2…θ6]；n+1表示当前时刻；n表示上一个时刻；ω表示下山因子，ω＝0.5；F(xn)为雅克比矩阵，表示当前时刻x的表达关系式；求解雅克比矩阵J，且保证其始终可逆：从而完成正反运动学的求解。5.根据权利要求1所述的柔性多关节机器人电流力控制系统，其特征在于，所述动力学重力补偿模块进行重力补偿的具体过程为：首先对每个连杆应用牛顿-欧拉方程，从连杆1到连杆n向外迭代计算连杆的速度和加速度，采用牛顿-欧拉外推法：其中，i的取值为0，1，2，3，4，5；i+1ωi+1为连杆{i+1}角速度；为角加速度；为坐标系{i+1}原点的线加速度；为连杆{i+1}质心的线加速度；i+1Fi+1为连杆{i+1}质心的惯性力；i+1Ni+1为连杆{i+1}质心上的力矩；mi+1为连杆{i+1}的质量；为连杆{i+1}的惯性参数；从连杆n到连杆1向内迭代计算连杆间的相互作用力和力矩以及关节驱动力矩，采用牛顿-欧拉内推法：其中，i的取值为6，5，4，3，2，1；ifi为在坐标系i中，连杆i-1施加在连杆i上的力；ini为在坐标系i中，连杆i-1施加在连杆i上的力矩；τi为在移动关节i上的线性驱动力。6.根据权利要求1所述的柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹风山，徐方，曲道奎，赵彬，宋吉来，刘晓帆，
申请(专利权)人：沈阳新松机器人自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21