一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法，其中方法包括以下步骤：获取关节的角度信息和力矩信息；结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值；结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩。本发明专利技术采用多个电机共同驱动关节，并实时控制关节的刚度，从而使多个电机能像生物的多块肌肉一样有效的配合工作，提高了仿生关节的灵活性和变刚度性能，解决了变刚度性能差和控制灵活度不佳等问题，可广泛应用于机器人关节技术领域。

A Bionic Joint Control System Based on Multi-motor Drive and Its Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法
本专利技术涉及机器人关节
，尤其涉及一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法。
技术介绍
仿生机器人的研发是国内外的热点，也是未来研究的趋势，关节是机器人核心部件。而机器人在执行任务时所接触的外界环境具有不确定性，需要机器人操作执行任务时具备一定动态交互能力，传统的机器人难以根据外部环境与自身负载变化动态调整关节刚度以减缓外部环境冲击，有一定安全隐患。基于此，柔性机器人及其控制方法得到了发展。柔性控制主要分为主动柔性和被动柔性，主动柔性控制通过控制力矩输出使得机械系统具有弹性，主要有阻抗控制等方法，先构建一个虚拟的弹性模型以实现柔性功能，再通过一台电机实现关节的刚度变化；被动柔性控制则是从机械设计的角度出发，在关节处安装弹性装置，该弹性装置具有弹性功能(比如弹簧等具有伸缩功能的材料)，并通过控制弹簧刚度实现关节刚度的变化。对于被动柔性控制的柔性机器人，需要在硬件上加弹性装置，而弹性装置尺寸较大结构复杂，实际应用中，弹性装置的储能可能会在碰撞过程中突然释放造成安全隐患；对于现有的主动柔性控制的柔性机器人，面临变刚度性能差、系统鲁棒性不佳、控制灵活度不佳、大扭矩场景成本高等问题，且单个大力矩电机重量大，响应曲线慢，控制精确不高。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于多电机驱动、变刚度性能更好的仿生关节控制系统及方法。本专利技术所采用的第一技术方案是：一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统，包括时变阻抗控制模块、多电机电流协作控制模块、编码器、力矩传感器和多个运动单元，所述多个运动单元并联作用于关节，各所述运动单元包括电机和驱动器，所述时变阻抗控制模块分别与编码器和多电机电流协作控制模块连接，所述多电机电流协作控制模块分别与力矩传感器和各驱动器连接；所述编码器用于获取关节的角度信息，并将角度信息传输至时变阻抗控制模块；所述力矩传感器用于获取关节的力矩信息，并将力矩信息传输至多电机电流协作控制模块；所述时变阻抗控制模块用于结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值，并将期望力矩值发送至多电机电流协作控制模块；所述多电机电流协作控制模块用于结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩。进一步，所述结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值这一步骤，具体为：结合角度信息和预设的参考角度计算角度差；结合角度差和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值。进一步，所述结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩这一步骤，具体包括以下步骤：结合期望力矩值和力矩信息计算力矩差；结合力矩差和预设的分配方式计算各电机的电流信息；根据电流信息驱动各电机输出力矩，以对关节输出一个时变刚度的总力矩。进一步，所述分配方式采用平均分配方式、分段分配方式、能量分配方式和速度分配方式的任一种。本专利技术所采用的第二技术方案是：一种基于多电机驱动的仿生关节控制方法，包括以下步骤：获取关节的角度信息和力矩信息；结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值；结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩。进一步，还包括以下步骤：设置关节的参考角度、参考刚度和分配方式；结合参考刚度和分配方式计算各电机的工作电流，并根据工作电流控制电机工作。进一步，所述结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值这一步骤，具体为：结合角度信息和预设的参考角度计算角度差；结合角度差和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值。进一步，所述时变阻抗模型为：其中，md(t,i)为第i个电机的期望时变惯量，bd(t,i)为第i个电机的期望时变阻尼，kd(t,i)为第i个电机的期望时变刚度系数，fe为外界环境的作用力，xr和x分别为参考角度和采集的实际角度。进一步，所述结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩这一步骤，具体包括以下步骤：结合期望力矩值和力矩信息计算力矩差；结合力矩差和预设的分配方式计算各电机的电流信息；根据电流信息驱动各电机输出力矩，以对关节输出一个时变刚度的总力矩。进一步，所述分配方式采用平均分配方式、分段分配方式、能量分配方式和速度分配方式的任一种。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用多个电机共同驱动关节，并实时控制关节的刚度，从而使多个电机能像生物的多块肌肉一样有效的配合工作，提高了仿生关节的灵活性和变刚度性能，解决了变刚度性能差和控制灵活度不佳等问题。由于采用多电机控制关节，当某个电机出现故障时，系统依然可以正常运行，提高机器人的鲁棒性可靠性；另外，通过多电机驱动的仿生关节，还可以降低大扭矩场景下仿生机器人制造等成本。附图说明图1是本专利技术一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统的结构示意图；图2是本专利技术一种基于多电机驱动的仿生关节控制方法的步骤流程图；图3是具体实施例中时变阻抗模型的示意图。具体实施方式实施例一如图1所示，本实施例提供一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统，包括时变阻抗控制模块、多电机电流协作控制模块、编码器、力矩传感器和多个运动单元，所述多个运动单元并联作用于关节，各所述运动单元包括电机和驱动器，所述时变阻抗控制模块分别与编码器和多电机电流协作控制模块连接，所述多电机电流协作控制模块分别与力矩传感器和各驱动器连接；所述编码器用于获取关节的角度信息，并将角度信息传输至时变阻抗控制模块；所述力矩传感器用于获取关节的力矩信息，并将力矩信息传输至多电机电流协作控制模块；所述时变阻抗控制模块用于结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值，并将期望力矩值发送至多电机电流协作控制模块；所述多电机电流协作控制模块用于结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩。执行任务过程中刚度能动态变化，是系统具有柔性功能的主要因素。在生物界中，因为刚度能动态变化，生物在活动过程中不仅样式多变，还能控制肌肉表现不同力度，因此达到非常好的柔性功能。基于此，申请人受生物肌肉中不同束肌伸缩输出不同刚度的启迪，采用多个电机共同驱动并实时控制关节的刚度，建立一种全新多电机主动控制柔性仿生关节。具体工作时，编码器实时采集关节的角度信息，并将角度信息实时传输至时变阻抗控制模块，所述时变阻抗控制模块根据角度信息调整关节的刚度，并根据变动的刚度计算出期望力矩值，将期望力矩值输送至多电机电流协作控制模块。所述力矩传感器实时采集关节的力矩信息，并将力矩信息传输至多电机电流协作控制模块。多电机电流协作控制模块结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元的工作状态，以使各运动单元中的电机输出一个力矩，各电机并联作用于关节，在关节处得到一个总的力矩。采用分配方式分配各电机的力矩，是为了多个电机能像多块肌肉一样有效的配合工作，从而提高仿生机器人关节的动态交互性、灵活性，以及提高变刚度性能，使得系统的柔性更佳。由于采用多电机控制关节，当某个电机出现故障时，系统依然可以正常运行，提高机器人的鲁棒性可靠性；另外，通过多电机驱动的仿生关节，还可以降低大扭矩场景下仿生机器人制造等成本。在仿生机器人领域，生物肌肉的刚度(或者力量)能根据外界的需求而产生变化，而在本实施例中，通过控制多个电机共同运行并随时间的变化输出不同的刚度(或者力)达到这个效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统，其特征在于，包括时变阻抗控制模块、多电机电流协作控制模块、编码器、力矩传感器和多个运动单元，所述多个运动单元并联作用于关节，各所述运动单元包括电机和驱动器，所述时变阻抗控制模块分别与编码器和多电机电流协作控制模块连接，所述多电机电流协作控制模块分别与力矩传感器和各驱动器连接；所述编码器用于获取关节的角度信息，并将角度信息传输至时变阻抗控制模块；所述力矩传感器用于获取关节的力矩信息，并将力矩信息传输至多电机电流协作控制模块；所述时变阻抗控制模块用于结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值，并将期望力矩值发送至多电机电流协作控制模块；所述多电机电流协作控制模块用于结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩。

【技术特征摘要】
1.一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统，其特征在于，包括时变阻抗控制模块、多电机电流协作控制模块、编码器、力矩传感器和多个运动单元，所述多个运动单元并联作用于关节，各所述运动单元包括电机和驱动器，所述时变阻抗控制模块分别与编码器和多电机电流协作控制模块连接，所述多电机电流协作控制模块分别与力矩传感器和各驱动器连接；所述编码器用于获取关节的角度信息，并将角度信息传输至时变阻抗控制模块；所述力矩传感器用于获取关节的力矩信息，并将力矩信息传输至多电机电流协作控制模块；所述时变阻抗控制模块用于结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值，并将期望力矩值发送至多电机电流协作控制模块；所述多电机电流协作控制模块用于结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩。2.根据权利要求1所述的一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统，其特征在于，所述结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值这一步骤，具体为：结合角度信息和预设的参考角度计算角度差；结合角度差和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值。3.根据权利要求1所述的一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统，其特征在于，所述结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩这一步骤，具体包括以下步骤：结合期望力矩值和力矩信息计算力矩差；结合力矩差和预设的分配方式计算各电机的电流信息；根据电流信息驱动各电机输出力矩，以对关节输出一个时变刚度的总力矩。4.根据权利要求1所述的一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统，其特征在于，所述分配方式采用平均分配方式、分段分配方式、能量分配方式和速度分配方式的任一种。5.一种基于多...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽燕，毕盛，席宁，
申请(专利权)人：深圳市智能机器人研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44