一种机器人关节力矩控制系统及其负载补偿方法技术方案

本发明专利技术提供了一种机器人关节力矩控制系统及其负载补偿方法，属于机器人关节运动控制技术领域。首先建立机器人关节力矩控制系统的数学模型，通过对其系统原理框图进行等价变形后，可看出负载参数对关节力矩输出影响较大，通过设计负载补偿控制器，有效地消除负载参数对关节输出力矩的影响。在此补偿基础上，将系统等效成惯性环节，再通过调节PD控制器参数，以增大系统开环增益，提高系统带宽，提升关节力矩控制系统的响应速度，进而改善关节力矩控制系统性能。

A robot joint torque control system and its load compensation method

【技术实现步骤摘要】
一种机器人关节力矩控制系统及其负载补偿方法
本专利技术属于机器人关节运动控制
，具体涉及一种机器人关节力矩控制系统及其负载补偿方法。
技术介绍
近年来，机器人在社会各行各业中应用越来越广泛，使机器人的研究成为一大热点。机器人常用的驱动方式有电机驱动、液压驱动和气动驱动。电机驱动具有结构紧凑、控制简便、传动效率高、控制精度高等优势，目前是机器人领域最常用的驱动方式。机器人关节通常由伺服电机、齿轮减速器和编码器等组成，并采用典型的位置控制系统，但其足部触底或接触障碍物时，若继续采用位置控制系统会造成较大刚性冲击，导致机器人行走奔跑等作业不稳定。此时关节切换成力矩控制系统，才能有效的减缓冲击，提高机器人的整体稳定性。目前力矩控制方案有以下几种：①串联弹性驱动器(SEA)，在驱动端和关节负载端之间串联弹性元件，具有低输出阻抗、抗冲击性等显著优点，但其输出带宽低，输出力矩较小。②MITCheetah采用半直驱驱动器(QuasiDirectDrive)，采用大扭矩电机+小减速比减速器方案，利用内部电流环反馈实现低成本力控，目前只用在小型的四足机器人中。③关节驱动单元采用大扭矩伺服电机+较大减速比器+力矩传感器的控制方案，并实现较大的力矩输出，可满足重型机器人快速行走、跑、跳等高动态任务。为了实现机器人高动态任务，必须采用扭矩伺服电机+较大减速比器+力矩传感器的控制方案。目前机器人关节力矩控制系统常采用有PD控制、定量反馈控制、鲁棒控制等控制方法。PD控制是目前工程项目中最常用的控制方法之一，其基于输入控制系统的误差量进行调节，无需对被控对象进行建模，同时调试简单且易于实现，但在单一地采用PD控制时，为追求较好的控制性能，往往控制参数设置过大，易导致系统不稳定。该方法仍要搭配其他补偿控制方法，才能使其控制性能更佳。而定量反馈控制、鲁棒控制等多种先进控制方法，虽能起到很好的控制效果，但控制方法模型比较复杂，其研究工作多为仿真分析或仅限于实验室完成。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种机器人关节力矩控制系统及其负载补偿方法，消除负载参数对系统实际力矩输出的影响，改善关节力矩控制系统性能。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种机器人关节力矩控制系统负载补偿方法，关节端速度经过负载补偿控制器补偿后的电流if与原电流环输入指令ir累加后，作为关节力矩控制系统电流环输入指令，有效补偿负载参数对关节力矩控制系统输出力矩的影响。进一步，所述负载补偿控制器为其中n为齿轮减速器减速比，Kv为伺服电机速度反馈系数，Ka为电流环控制参数。更进一步，所述关节力矩控制系统开环传递函数为：其中：惯性环节的转折频率开环增益KPD为PD控制器参数，Kt为伺服电机力矩系数，L为伺服电机电感，R为伺服电机电阻。更进一步，当增大PD控制器参数KPD，系统开环增益Ko随之增大，关节力矩控制系统穿越0分贝线时的截止频率增大，即系统带宽增大，从而提升系统快速性。一种关节力矩控制系统，包括关节本体和控制系统，所述关节本体包括伺服电机、齿轮减速器、力矩传感器、绝对值编码器，伺服电机输出轴与齿轮减速器刚性固连，齿轮减速器与关节端负载通过力矩传感器刚性连接，绝对值编码器安装关节端负载处；所述控制系统包括依次信号连接的比较器I、力矩环控制器、比较器II和电流环控制器。上述技术方案中，所述力矩传感器用于检测关节端实际力矩；所述伺服电机内部安装电流传感器，用于检测伺服电机实际输出电流；所述绝对值编码器用于检测关节端负载实际位置。上述技术方案中，所述控制系统中，给定电流与伺服电机实际输出电流电流比较做差，经过比较器II，控制伺服电机电流输出，形成内部电流环；给定力矩与关节端实际力矩比较做差，再经过比较器I以及内部电流环，控制关节力矩输出，形成外部为力矩环。本专利技术的有益效果为：本专利技术首先针对机器人关节力矩控制系统进行数学建模，并对其系统控制原理框图进行等价变形，分析得到负载参数对实际力矩输出有一定的影响；然后，通过设计负载补偿控制器，消除负载参数对系统实际力矩输出的影响；在此补偿基础上，将系统等效成惯性环节，通过调整PD控制器参数，增大系统开环增益，以提高系统带宽，进而改善关节力矩控制系统性能。本专利技术的补偿方法无需建立复杂的数学模型，应用简单，特别适用于工程项目中。附图说明图1为本专利技术所述机器人关节力矩控制系统图；图2为本专利技术所述机器人关节力矩控制系统原理框图；图3为本专利技术初变形的关节力矩控制系统框图；图4为本专利技术次变形的关节力矩控制系统框图；图5为本专利技术加入负载补偿控制器后的关节力矩控制系统框图；图6为本专利技术图5等效变形后的关节力矩控制系统原理框图；图7为本专利技术关节力矩控制系统开环伯德图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。如图1所示，机器人关节力矩控制系统由关节本体和控制系统组成。关节本体由伺服电机、齿轮减速器、力矩传感器、绝对值编码器组成，伺服电机输出轴与齿轮减速器刚性固连，齿轮减速器与关节端负载通过力矩传感器刚性连接，力矩传感器用于检测关节端实际力矩；电流传感器安装在伺服电机内部，用于检测伺服电机实际输出电流，绝对值编码器安装关节端负载处，用于检测关节端负载实际位置。控制系统由比较器I、力矩环控制器、比较器II和环电流控制器组成，通过给定电流与伺服电机实际输出电流电流比较做差，再经过比较器II，控制伺服电机电流输出，形成内部电流环；通过给定力矩与关节端实际力矩比较做差，再经过比较器I以及内部电流环，控制关节力矩输出，形成外部为力矩环。根据机器人关节力矩控制系统原理图，机器人力矩控制系统数学建模如下：伺服电机采用电流闭环，其输出电压Uc为：Uc＝Ka(ir-KIia)(1)其中，Ka为电流环控制参数，ir为电流环输入指令，KI为伺服电机电路环反馈系数，ia为实际电流值；电流环输入指令ir由关节力矩误差ET与PD控制器参数KPD相乘得到，关节力矩误差ET由关节给定力矩Tr与关节端实际力矩Tp相减得到；伺服电机电压平衡方程为：其中，E为伺服电机反电动势，且n为齿轮减速器减速比，Kv为伺服电机速度反馈系数，θ为关节端实际位置，为关节端实际速度，L为伺服电机电感，R为伺服电机电阻；伺服电机输出力矩为：Tm＝iaKt(3)其中，Kt为伺服电机力矩系数。由于力矩传感器刚度较大，因此忽略其弹性形变，则电机输出端与关节端实际力矩输出之间的关系为：Tp＝nTm(4)其中，Tm为伺服电机输出力矩，Tp为关节端实际力矩；关节端转矩平衡方程为：其中，Jm为折算到关节端负载上的总转动惯量，为负载、力矩传感器、齿轮减速器和伺服电机以及其他元件的折算转动惯量和，Bm为折算到关节端负载上的总粘性阻尼系数，为负载、齿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人关节力矩控制系统负载补偿方法，其特征在于，关节端速度经过负载补偿控制器补偿后的电流i

【技术特征摘要】
1.一种机器人关节力矩控制系统负载补偿方法，其特征在于，关节端速度经过负载补偿控制器补偿后的电流if与原电流环输入指令ir累加后，作为关节力矩控制系统电流环输入指令，有效补偿负载参数对关节力矩控制系统输出力矩的影响。


2.根据权利要求1所述的机器人关节力矩控制系统负载补偿方法，其特征在于，所述负载补偿控制器为其中n为齿轮减速器减速比，Kv为伺服电机速度反馈系数，Ka为电流环控制参数。


3.根据权利要求2所述的机器人关节力矩控制系统负载补偿方法，其特征在于，所述关节力矩控制系统开环传递函数为：



其中：惯性环节的转折频率开环增益KPD为PD控制器参数，Kt为伺服电机力矩系数，L为伺服电机电感，R为伺服电机电阻。


4.根据权利要求2所述的机器人关节力矩控制系统负载补偿方法，其特征在于，当增大PD控制器参数KPD，系统开环增益Ko随之增大，关节力矩控制系统穿越0分贝线时的截至频率增大，即系统带宽增大，从...

【专利技术属性】
技术研发人员：余张国，刘雅梁，黄强，左昱昱，陈学超，于晗，黄高，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11