具有张力和关节位置反馈的机器人关节用挠性驱动单元控制方法技术

具有张力和关节位置反馈的机器人关节用挠性驱动单元控制方法，属于机器人应用控制领域。本发明专利技术为了实现机器人关节用挠性驱动装置张力反馈和关节全闭环控制，以减小挠性驱动关节控制误差、提高系统频响。本发明专利技术提出基于粘弹性动力学模型补偿的控制策略并设计了挠性驱动单元控制器，根据钢丝绳弹性变形公式设计前馈控制器，通过电机角度估计值公式设计反馈控制器，该设计方法适用于机器人关节用挠性驱动单元的控制器设计；搭建挠性驱动单元控制系统硬件，通过关节编码器进行关节位置反馈，利用电机位置估计值进行电机位置反馈，从而实现驱动单元控制系统位置全闭环。与经典PID控制方法相比，可显著提高伺服控制精度，减小跟踪误差，并提高系统频响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人关节用挠性驱动单元控制方法，具体涉及一种适用于绳驱动、动滑轮增力、具有张力和关节位置反馈的机器人关节用挠性驱动单元的控制方法，属于机器人应用控制领域。
技术介绍
相比刚性驱动，钢丝绳柔性驱动能够吸收震动，减缓冲击，但由于其导致关节回差较大、且有明显滞后，采用经典PID控制方法效果欠佳。经文献检索发现中国专利公告号为CN101863034B，专利号为201010210888.3，名称为由滑轮组与钢丝绳牵引驱动的机器人关节用挠性驱动单元是一种绳驱动关节挠性驱动单元，但没有给出控制方法。申请号为201410257786.5的一种绳驱动、动滑轮增力、带有张力传感器、关节编码器的机器人关节用挠性驱动单元没有给出有效的控制方法，无法实现机器人关节用挠性驱动装置张力反馈和关节全闭环控制，存在控制误差大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为一种绳驱动、动滑轮增力、带有张力传感器、关节编码器的机器人关节用挠性驱动单元(申请号：201410257786.5)提供有效的控制方法，实现机器人关节用挠性驱动装置张力反馈和关节全闭环控制，以减小挠性驱动关节控制误差、提高系统频响。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种具有张力和关节位置反馈的机器人关节用挠性驱动单元控制方法，所述控制方法用于控制一种绳驱动、动滑轮增力、带有张力传感器、关节编码器的机器人关节用挠性驱动单元，以实现机器人关节用挠性驱动装置张力反馈和关节全闭环控制；所述控制方法的实现过程为：步骤一、推导挠性驱动单元粘弹性动力学模型，以获得驱动单元粘弹性动力学模型与钢丝绳弹性变形公式；步骤二、对关节速度与加速度进行前馈：基于粘弹性动力学模型补偿的控制策略并设计挠性驱动单元控制器，根据钢丝绳弹性变形公式设计前馈控制器，通过电机角度估计值公式设计反馈控制器；步骤三、进行关节全闭环反馈控制；通过关节编码器进行关节位置反馈，利用电机位置估计值进行电机位置反馈，从而实现驱动单元控制系统位置全闭环。所述控制方法的具体实现过程为：步骤一、推导挠性驱动单元粘弹性动力学模型，以获得驱动单元粘弹性动力学模型与钢丝绳弹性变形公式，其过程为：减速器输出轴缠绕钢丝绳钢丝绳张力表示如下：Fi=-ki(xi-r1θ1)-ci(x.i-r1θ.1)+Fi,initial---(7)]]>其中，下标i＝1，2；其它参数的含义如下：ki表示钢丝绳Li的等效刚度(i＝1,2,3,4)，ki＝EA/LiE表示钢丝绳杨氏模量，A表示钢丝绳横截面积，xi表示钢丝绳Li的位移，r1表示减速器输出轴半径，θ1表示减速器输出轴角度；ci表示钢丝绳Li的等效阻尼，ci＝f1A/Li，f1表示钢丝绳粘性系数；Fi,initial表示钢丝绳Li预紧力；求解上式，取初位移与初速度均为零，得到减速器输出轴缠绕钢丝绳位移为：xi=e-kicit[(r1θ1+Fi,initialki)(ekicit-1)-1ci∫t0tFiekicitdt]---(8)]]>其中，下标i＝1，2；由动滑轮组增力减速原理有：F3′=4F1′F4′=4F2′x3=14x1x4=14x2---(9)]]>由于减速器端钢丝绳张力未知，而关节端钢丝绳张力由张力传感器测得，用关节端张力代替减速器端钢丝绳张力，已知F1,F2,F3,F4与F′1，F′2，F′3，F′4分别互为反力，则减速器输出轴缠绕钢丝绳位移为如下形式：xi=e-kicit[(r1θ1+Fj,initial4kj)(ekicit-1)-14ci∫t0tFjekicitdt]---(10)]]>其中，下标i＝1，2，j＝3，4，联立公式(9)和(10)，得到关节输出轴缠绕钢丝绳位移为：xj=14e-kicit[(r1θ1Fj,initial4ki)(ekicit-1)-14ci∫t0tFjekicitdt]---(11)]]>其中，下标i,j值同上；假定挠性驱动单元关节两侧钢丝绳的拉伸和放松量相同，得到关节两侧钢丝绳变形约束条件：x3+x4＝2r2θ2   (13)r2表示关节输出轴半径，θ2表示关节输出轴角度；联立公式(11)和(13)，得到基于粘弹性动力学的挠性驱动单元关节角公式：θ2(θ1,F3,F4,t)=18r2...

【技术保护点】
一种具有张力和关节位置反馈的机器人关节用挠性驱动单元控制方法，所述控制方法用于控制一种绳驱动、动滑轮增力、带有张力传感器、关节编码器的机器人关节用挠性驱动单元，以实现机器人关节用挠性驱动装置张力反馈和关节全闭环控制；其特征在于：所述控制方法的实现过程为：步骤一、推导挠性驱动单元粘弹性动力学模型，以获得驱动单元粘弹性动力学模型与钢丝绳弹性变形公式；步骤二、对关节速度与加速度进行前馈：基于粘弹性动力学模型补偿的控制策略并设计挠性驱动单元控制器，根据钢丝绳弹性变形公式设计前馈控制器，通过电机角度估计值公式设计反馈控制器；步骤三、进行关节全闭环反馈控制；通过关节编码器进行关节位置反馈，利用电机位置估计值进行电机位置反馈，从而实现驱动单元控制系统位置全闭环。

【技术特征摘要】
1.一种具有张力和关节位置反馈的机器人关节用挠性驱动单元控制方法，所述控制
方法用于控制一种绳驱动、动滑轮增力、带有张力传感器、关节编码器的机器人关节用挠
性驱动单元，以实现机器人关节用挠性驱动装置张力反馈和关节全闭环控制；其特征在于：
所述控制方法的实现过程为：
步骤一、推导挠性驱动单元粘弹性动力学模型，以获得驱动单元粘弹性动力学模型与
钢丝绳弹性变形公式；
步骤二、对关节速度与加速度进行前馈：基于粘弹性动力学模型补偿的控制策略并设
计挠性驱动单元控制器，根据钢丝绳弹性变形公式设计前馈控制器，通过电机角度估计值
公式设计反馈控制器；
步骤三、进行关节全闭环反馈控制；通过关节编码器进行关节位置反馈，利用电机位
置估计值进行电机位置反馈，从而实现驱动单元控制系统位置全闭环。
2.根据权利要求1所述的具有张力和关节位置反馈的机器人关节用挠性驱动单元控制
方法，其特征在于：所述控制方法的具体实现过程为：
步骤一、推导挠性驱动单元粘弹性动力学模型，以获得驱动单元粘弹性动力学模型与
钢丝绳弹性变形公式，其过程为：
减速器输出轴缠绕钢丝绳钢丝绳张力表示如下：
Fi=-ki(xi-r1θ1)-ci(x.i-r1θ.1)+Fi,initial---(7)]]>其中，下标i＝1，2；
其它参数的含义如下：
ki表示钢丝绳Li的等效刚度(i＝1,2,3,4)，ki＝EA/LiE表示钢丝绳杨氏模量，A表示钢丝绳横截面积，xi表示钢丝绳Li的位移，r1表示减速
器输出轴半径，θ1表示减速器输出轴角度；ci表示钢丝绳Li的等效阻尼，ci＝f1A/Li，f1表示
钢丝绳粘性系数；Fi,initial表示钢丝绳...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟国，侯月阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23