一种动力关节装置的力矩控制系统及其力矩控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种动力关节装置的力矩控制系统及其力矩控制方法，该系统包括信号采集单元及信号处理单元，信号采集单元包括旋转编码器、扭矩传感器、角度传感器以及电流传感器；旋转编码器采集电机的转动角度θm，扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩Ts，角度传感器采集上臂与下臂之间转动的相对角度θl，电流传感器采集电机工作时的电流Ifbk；信号处理单元包括存储器以及处理器，处理器包括力矩环控制器和电流环控制器，力矩环控制器的输出为电流环控制器的控制目标Tm；且Tm＝A*(de‐F(S))+B*T_hat+Z_hat。本发明专利技术在机器人关节带有柔性、摩擦力快速变化情况下，达到快速响应、鲁棒性强的力矩控制。

A Torque Control System of Power Joint Device and Its Torque Control Method

The present invention relates to a torque control system of power joint device and its torque control method. The system includes a signal acquisition unit and a signal processing unit. The signal acquisition unit includes a rotary encoder, a torque sensor, an angle sensor and a current sensor. The rotary encoder collects the rotation angle of the motor and the torque sensor collects the relative torque T between the upper arm and the lower arm. S, angle sensor collects the relative angle of rotation between upper arm and lower arm, current sensor collects current Ifbk when motor works; signal processing unit includes memory and processor, processor includes moment loop controller and current loop controller, the output of moment loop controller is the control target Tm of current loop controller; and Tm = A* (de F(S)+B*T_hat+Z_hat. The present invention achieves fast response and strong robustness moment control when the robot joint is flexible and the friction force changes rapidly.

【技术实现步骤摘要】
一种动力关节装置的力矩控制系统及其力矩控制方法
本专利技术涉及动力关节装置，更具体地说是指一种动力关节装置的力矩控制系统及其力矩控制方法。
技术介绍
机器人是自动控制机器(Robot)的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械(如机器狗，机器猫等)。目前的机器人领广泛地应用了动力关节，动力关节可以用于模拟人体的关节伸展或弯曲，其中，用于人体可穿戴的外骨骼机器人一般带有多个动力关节，动力关节带有上臂、下臂、电机和减速机，上臂和下臂在电机和减速机驱动下可以伸展或弯曲，动力关节上一般还带有多种传感器，包括关节扭力传感器、上下臂角度传感器、电机旋转编码器以及电机电流传感器，用于获取对应的数据，以反馈至控制器作为调整的依据数据，比如中国专利201611165523.7所公开的一种用于负责搬运的全身外骨骼助理机器人，该专利提及的机器人上也设有上下臂角度传感器等传感器，利用角度传感器测量关节处的角度值，根据测得的角度值由中央控制装置控制相应的关节进行运动。由于机器人的关节是模仿人体的关节制定的，在柔性方面肯定与人体的关节存在差异，因此，需要对机器人的动力关节中嵌入力传感器，以此给机器人的关节系统引入了柔性，机器人的关节传动一般采用谐波减速机减速，也会进一步给关节系统带来柔性，以使得关节具备柔性特性能够吸收震动、减缓冲击，但由于采用谐波减速机会带来明显滞后，导致控制难度增加，采用经典PID控制的效果不佳，比如，中国专利201410494011.X提供了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，该方法主要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，以减少挠性驱动关节控制误差，提高系统频响，具体的是根据提出根据弹性变形公式设计前馈控制，通过电机角度估计设计反馈控制器，采用变系数PID的控制方法实现控制。但是，上述专利提及的控制方法仍然是由传统PID改进，整个关节系统控制响应速度欠佳。另外，中国专利201510712869.3提供了一种用于控制可穿戴机器人的方法，该方法如下：当机器人关节的角度超过预定容许的角度范围R时，使机器人关节的角度返回到所述容许角度范围R内，当将机器人关节控制呈使机器人关节的角度返回到容许角度范围R内并且机器人关节的角度达到预定角度时，在机器人关节中产生使机器人关节的角度在预定交底处保持预定时间段的扭矩，也就是控制关节角度在一定范围内，提及的控制实施方式是PID控制或状态反馈控制，但未披露控制具体实施的方式。现有控制技术中，除传统PID控制外，现代控制理论有变结构控制、状态反馈控制等，这些方法比传统PID响应速度快、鲁棒性强，但均需要得到系统的状态量，这些状态量一般难以直接测量获得，需要观测或计算估计，这往往导致控制的误差，甚至导致控制不稳定，此外，动力关节一般在运动时带有摩擦力，摩擦力属于快速变化干扰，这也给精确控制带来困难，现有技术中有针对摩擦力观测的干扰观测器方案，采用低通滤波器屏蔽干扰，其对快速变化的干扰抑制能力不强。因此，有必要设计一种动力关节装置的力矩控制系统，以实现在机器人关节带有柔性、摩擦力快速变化情况下，达到快速响应、鲁棒性强的力矩控制，使得带有动力关节装置的机器人或外骨骼的相关系统具备高灵敏度和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种动力关节装置的力矩控制系统及其力矩控制方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种动力关节装置的力矩控制系统，包括信号采集单元以及信号处理单元，其中，信号采集单元包括与驱动关节运动的电机连接的旋转编码器、测量位于上臂与下臂相对扭矩的扭矩传感器、位于关节上臂与下臂之间的角度传感器以及与驱动关节运动的电机连接的电流传感器；其中，旋转编码器采集电机的转动角度θm，扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩Ts，角度传感器采集上臂与下臂之间转动的相对角度θl，电流传感器采集电机工作时的电流Ifbk；信号处理单元包括存储器以及处理器，处理器内设有力矩环控制器和电流环控制，力矩环控制器的输出为电流环控制器的控制目标Tm；且Tm＝A*(de-F(S))+B*T_hat+Z_hat；其中，A、B为根据系统模型确定的常数系数；de为误差导数值，误差e等于Tref-Ts或其滤波后数据，Tref为力矩环控制器的控制目标；F(S)为滑膜趋近律函数，其中S＝Cs*de+e，Cs为可调系数；T_hat为Ts或其滤波处理后的数据；Z_hat为系统干扰数据，系统干扰数据Z_hat包括电机摩擦力干扰值z13和/或上臂与下臂的负载及摩擦干扰值z23，系统干扰数据Z_hat为可选项，其满足C*z13或者D*z23或者C*z1与D*z23之和，C＝-Jm，D＝N*Jm,Jm为电机的转动惯量，N为动力关节的减速机构减速比。其进一步技术方案为：所述常数系数A、B满足：A＝N*Jm/Cs；B＝1/N+N*Jm/Jl；其中，Jl为动力关节及负载的转动惯量,Cs为可调系数。其进一步技术方案为：所述力矩环控制器内设有处理模块、微分滤波器和扩张观测器，通过微分滤波器或扩张观测器观测获得误差导数值de，通过扩张观测器获得系统干扰数据Z_hat，所述微分滤波器以及扩张观测器获取的数据，输入至所述处理模块，进行处理输出电流环控制器的控制目标Tm。其进一步技术方案为：所述扩张观测器包括第一扩张观测器以及至少一个第二扩张观测器，所述第一扩张观测器对电机的转动角度θm或其滤波值进行观测，输出电机摩擦力干扰值z13，所述第二扩张观测器输出上臂与下臂的负载及摩擦干扰值z23；其中，所述第一扩张观测器满足以下条件:eq11：e1＝z11-θm_hat；eq12：dz11＝z12-β10*e1；eq13：dz12＝z13-β11*fal(e1,α11,δ11)+b11*Ifbk_hat+b12*Ts_hat；eq14：dz13＝-β12*fal(e1,α12,δ12)；其中dz11、dz12、dz13分别对应为z11、z12、z13的导数，β10、β11、β12、α11、α12、δ11、δ12为可调参数，b11、b12为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b11＝1/Jm，b12＝-1/(Jm*N)，fal为单调函数；所述第一扩张观测器的输入变量为θm_hat、Ifbk_hat以及Ts_hat，其中，θm_hat为旋转编码器采集电机的转动角度θm或其滤波值，Ifbk_hat为电流传感器采集电机工作时的电流Ifbk或其滤波值，Ts_hat为扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩Ts或其滤波值，输出变量为z11、z12、z13，其中，z11趋近电机的转动角度θm，z12趋近电机的转动角度θm的导数值，z13趋近于当前电机摩擦干扰值；所述第二所述扩张观测器满足以下条件：eq21：e2＝z21-θl_hat；eq22：dz21＝z22-β20*e2；eq23：dz22＝z23-β21*fal(e2,α21,δ21)+b22*Ts_hat；eq24：dz23＝-β22*fal(e2,α22,δ22)；其中dz21、dz22、dz23分别对应为z21、z22、z23的导数，β20、β21、β22、α21、α22、δ21、δ22为可调参数，b22本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动力关节装置的力矩控制系统，其特征在于，包括信号采集单元以及信号处理单元，其中，信号采集单元包括与驱动关节运动的电机连接的旋转编码器、测量上臂下臂相对扭矩的扭矩传感器、位于关节上臂与下臂之间的角度传感器以及与驱动关节运动的电机连接的电流传感器；其中，旋转编码器采集电机的转动角度θm，扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩Ts，角度传感器采集上臂与下臂之间转动的相对角度θl，电流传感器采集电机工作时的电流Ifbk；信号处理单元包括存储器以及处理器，处理器内设有力矩环控制器和电流环控制器，力矩环控制器的输出为电流环控制器的控制目标Tm；且Tm＝A*(de‑F(S))+B*T_hat+Z_hat；其中，A、B为根据系统模型确定的常数系数；de为误差导数值，误差e等于Tref‑Ts或其滤波后数据，Tref为力矩环控制器的控制目标；F(S)为滑膜趋近律函数，其中S＝Cs*de+e，Cs为可调系数；T_hat为Ts或其滤波处理后的数据；Z_hat为系统干扰数据，系统干扰数据Z_hat包括电机摩擦力干扰值z13和/或上臂与下臂的负载及摩擦干扰值z23，系统干扰数据Z_hat为可选项，其满足C*z13或者D*z23或者C*z1与D*z23之和，C＝‑Jm，D＝N*Jm,Jm为电机的转动惯量，N为动力关节的减速机构减速比。...

【技术特征摘要】
1.一种动力关节装置的力矩控制系统，其特征在于，包括信号采集单元以及信号处理单元，其中，信号采集单元包括与驱动关节运动的电机连接的旋转编码器、测量上臂下臂相对扭矩的扭矩传感器、位于关节上臂与下臂之间的角度传感器以及与驱动关节运动的电机连接的电流传感器；其中，旋转编码器采集电机的转动角度θm，扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩Ts，角度传感器采集上臂与下臂之间转动的相对角度θl，电流传感器采集电机工作时的电流Ifbk；信号处理单元包括存储器以及处理器，处理器内设有力矩环控制器和电流环控制器，力矩环控制器的输出为电流环控制器的控制目标Tm；且Tm＝A*(de-F(S))+B*T_hat+Z_hat；其中，A、B为根据系统模型确定的常数系数；de为误差导数值，误差e等于Tref-Ts或其滤波后数据，Tref为力矩环控制器的控制目标；F(S)为滑膜趋近律函数，其中S＝Cs*de+e，Cs为可调系数；T_hat为Ts或其滤波处理后的数据；Z_hat为系统干扰数据，系统干扰数据Z_hat包括电机摩擦力干扰值z13和/或上臂与下臂的负载及摩擦干扰值z23，系统干扰数据Z_hat为可选项，其满足C*z13或者D*z23或者C*z1与D*z23之和，C＝-Jm，D＝N*Jm,Jm为电机的转动惯量，N为动力关节的减速机构减速比。2.根据权利要求1所述的一种动力关节装置的力矩控制系统，其特征在于，所述常数系数A、B满足：A＝N*Jm/Cs；B＝1/N+N*Jm/Jl；其中，Jl为动力关节及负载的转动惯量,Cs为可调系数。3.根据权利要求1所述的一种动力关节装置的力矩控制系统，其特征在于，所述力矩环控制器内设有处理模块、微分滤波器和扩张观测器，通过微分滤波器或扩张观测器观测获得误差导数值de，通过扩张观测器获得系统干扰数据Z_hat，所述微分滤波器以及扩张观测器获取的数据，输入至所述处理模块，进行处理输出电流环控制器的控制目标Tm。4.根据权利要求3所述的一种动力关节装置的力矩控制系统，其特征在于，所述扩张观测器包括第一扩张观测器以及至少一个第二扩张观测器，所述第一扩张观测器对电机的转动角度θm或其滤波值进行观测，输出电机摩擦力干扰值z13，所述第二扩张观测器输出上臂与下臂的负载及摩擦干扰值z23；其中，所述第一扩张观测器满足以下条件:eq11：e1＝z11-θm_hat；eq12：dz11＝z12-β10*e1；eq13：dz12＝z13-β11*fal(e1,α11,δ11)+b11*Ifbk_hat+b12*Ts_hat；eq14：dz13＝-β12*fal(e1,α12,δ12)；其中dz11、dz12、dz13分别对应为z11、z12、z13的导数，β10、β11、β12、α11、α12、δ11、δ12为可调参数，b11、b12为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b11＝1/Jm，b12＝-1/(Jm*N)，fal为单调函数；所述第一扩张观测器的输入变量为θm_hat、Ifbk_hat以及Ts_hat，其中，θm_hat为旋转编码器采集电机的转动角度θm或其滤波值，Ifbk_hat为电流传感器采集电机工作时的电流Ifbk或其滤波值，Ts_hat为扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩Ts或其滤波值，输出变量为z11、z12、z13，其中，z11趋近电机的转动角度θm，z12趋近电机的转动角度θm的导数值，z13趋近于当前电机摩擦干扰值；所述第二所述扩张观测器满足以下条件：eq21：e2＝z21-θl_hat；eq22：dz21＝z22-β20*e2；eq23：dz22＝z23-β21*fal(e2,α21,δ21)+b22*Ts_hat；eq24：dz23＝-β22*fal(e2,α22,δ22)；其中dz21、dz22、dz23分别对应为z21、z22、z23的导数，β20、β21、β22、α21、α22、δ21、δ22为可调参数，b22为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b22＝1/Jl，Jl为动力关节及负载的转动惯量，fal为单调函数；所述第二扩张观测器的输入变量为θl_hat和Ts_hat，θl_hat为角度传感器采集上臂与下臂之间的相对角度θl或其滤波值，Ts_hat为扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩Ts或其滤波值，输出变量为z21、z22、z23，其中z21趋近上臂与下臂之间的相对角度θl，z22趋近上臂与下臂之间的相对角度θl的导数值，z23趋近于上臂与下臂的负载及摩擦干扰值。5.根据权利要求3所述的一种动力关节装置的力矩控制系统，其特征在于，所述误差导数值de满足de＝dTref-dTs，其中，dTs＝z32，dTref＝dz41；所述扩张观测器包括第三扩张观测器，其中，所述第三扩张观测器输出z32，所述第三扩张观测器满足以下条件：eq31：e3＝z31-Ts_hat；eq32：dz31＝z32-β30*e3；eq33：dz32＝z33-β31*fal(e3,α31,δ31)+b31*Ifbk_hat-b32*Ts_hat；或eq33b：dz32＝z33-β31*fal(e3,α31,δ31)+b31*Ifbk-b32*Ts+b33*z13+b34*z23；eq34：dz33＝-β32*fal(e3,α32,δ32)；其中dz31、dz32、dz33分别对应为z31、z32、z33的导数，β30、β31、β32、α31、α32、δ31、δ32为可调参数，b31、b32为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b31＝K/(N*Jm)，b32＝K/Jl+K/(N*N*Jm)，K为电机的输出端到关节负载等效弹簧倔强系数，Jl为动...

【专利技术属性】
技术研发人员：余运波，
申请(专利权)人：深圳市肯綮科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44