一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质制造方法及图纸

本申请适用于串联弹性驱动器技术领域，提供一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质，通过建立串联弹性驱动器的标称动力学模型；通过扰动观测器根据标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻串联弹性驱动器的输出力矩，获得实时扰动量；通过前馈补偿器根据标称动力学模型和电机的转动惯量的缩放系数，获得前馈动力学模型；根据前馈动力学模型和串联弹性驱动器的期望输出力矩，获得前馈补偿量；根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值，获得期望电流值并输出至所述电机，可以提高动态响应性能，确保控制精度和对外界扰动的鲁棒性，实现更好的控制效果，提高稳定性且算法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质
本申请属于串联弹性驱动器(SeriesElasticActuator，SEA)
，尤其涉及一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质。
技术介绍
串联弹性驱动器技术是一种力控关节技术，通过在电机与负载之间串联弹性元件(弹簧等)实现，当电机驱动负载运动时，首先会使弹性元件发生弹性形变以产生弹性力矩，通过弹性力矩驱动负载运动，可通过测量弹性元件的形变量获得用于驱动负载的弹性力矩的大小。弹性元件提高了负载的柔顺性和抗冲击性，使得负载容易反驱，有天然的被动安全特性；同时，通过检测已标定刚度的弹性元件的形变量来检测弹性力矩，有较高的力保真性，进而可实现精确的力矩控制；此外，还可通过弹性元件实现能量的储存与释放，提高能量的使用效率。然而，弹性元件的引入使得串联弹性驱动器的刚度明显下降，从而使得串联弹性驱动器的力控带宽与刚性驱动器相比明显下降，此外，由于弹性元件将电机与负载解耦，其力控算法更加复杂，且负载更容易受到扰动影响，影响力矩控制的精度和鲁棒性。
技术实现思路
有鉴于此，本申请实施例提供了一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质，以解决现有技术中串联弹性驱动器的力控算法复杂，负载更容易受到扰动影响，影响力矩控制的精度和鲁棒性的问题。本申请实施例的第一方面提供了一种力矩控制方法，包括：建立串联弹性驱动器的标称动力学模型；通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩，获得实时扰动量；通过前馈补偿器根据所述标称动力学模型和所述电机的转动惯量的缩放系数，获得前馈动力学模型；根据所述前馈动力学模型和所述串联弹性驱动器的期望输出力矩，获得前馈补偿量；根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值，获得期望电流值并输出至所述电机。本申请实施例的第二方面提供了一种力矩控制装置，包括：模型建立单元，用于建立串联弹性驱动器的标称动力学模型；扰动观测单元，用于通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩，获得实时扰动量；前馈补偿单元，用于通过前馈补偿器根据所述标称动力学模型和所述电机的转动惯量的缩放系数，获得前馈动力学模型；根据所述前馈动力学模型和所述串联弹性驱动器的期望输出力矩，获得前馈补偿量；比例微分单元，用于根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值，获得期望电流值并输出至所述电机。本申请实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，还包括串联弹性驱动器和负载，所述串联弹性驱动器包括电机和弹性元件，所述串联弹性驱动器与所述负载连接，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本申请实施例的第一方面所述方法的步骤。本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本申请实施例的第一方面所述方法的步骤。本申请实施例的第一方面提供的力矩控制方法，通过建立串联弹性驱动器的标称动力学模型；通过扰动观测器根据标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻串联弹性驱动器的输出力矩，获得实时扰动量；通过前馈补偿器根据标称动力学模型和电机的转动惯量的缩放系数，获得前馈动力学模型；根据前馈动力学模型和串联弹性驱动器的期望输出力矩，获得前馈补偿量；根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值，获得期望电流值并输出至所述电机，可以提高动态响应性能，确保控制精度和对外界扰动的鲁棒性，实现更好的控制效果，提高稳定性且算法简单。可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本申请实施例提供的力矩控制方法的流程示意图；图2是本申请实施例提供的扰动观测器的数学模型的示意图；图3是本申请实施例提供的力矩控制装置的结构示意图；图4是本申请实施例提供的终端设备的结构示意图。具体实施方式以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。本申请实施例提供的力矩控制方法，可以应用于机器人、机械臂、可穿戴设备、车载设备、增强现实(augmentedreality，AR)/虚拟现实(virtualreality，VR)设备等终端设备。终端设备包括处理器、串联弹性驱动器和负载，处理器用于控制串联弹性驱动器驱动负载运动，本申请实施例对终端设备的具体类型不作任何限制。机器人具体可以是服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人等，本申请实施例对机器人的具体类型不作任何限制。根据终端设备类型的不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种力矩控制方法，其特征在于，包括：/n建立串联弹性驱动器的标称动力学模型；/n通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩，获得实时扰动量；/n通过前馈补偿器根据所述标称动力学模型和所述电机的转动惯量的缩放系数，获得前馈动力学模型；/n根据所述前馈动力学模型和所述串联弹性驱动器的期望输出力矩，获得前馈补偿量；/n根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值，获得期望电流值并输出至所述电机。/n

【技术特征摘要】
1.一种力矩控制方法，其特征在于，包括：
建立串联弹性驱动器的标称动力学模型；
通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩，获得实时扰动量；
通过前馈补偿器根据所述标称动力学模型和所述电机的转动惯量的缩放系数，获得前馈动力学模型；
根据所述前馈动力学模型和所述串联弹性驱动器的期望输出力矩，获得前馈补偿量；
根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值，获得期望电流值并输出至所述电机。


2.如权利要求1所述的力矩控制方法，其特征在于，所述建立串联弹性驱动器的标称动力学模型，包括：
根据电机的动力学模型和负载的动力学模型，建立串联弹性驱动器的标称动力学模型。


3.如权利要求2所述的力矩控制方法，其特征在于，所述电机的动力学模型的表达式为：



其中，Jm表示所述电机的转动惯量，θm表示所述电机的转动角度，Bm表示所述电机的阻尼项，Ks表示弹性元件的刚度，θl表示所述负载的转动角度，τdm表示所述电机的不确定因素，τm表示所述电机的输出力矩；
所述负载的动力学模型的表达式为：



其中，Jl表示所述负载的转动惯量，Bl表示所述负载的阻尼项，τext表示所述负载受到的来自外界环境的力矩；
所述标称动力学模型的表达式为：



τs(s)＝KsΔθ
Δθ＝θm-θl
其中，Pn(s)表示所述标称动力学模型，i(s)表示所述电机输入的电流值，τs(s)表示所述串联弹性驱动器的输出力矩，β表示所述电机的等效力矩系数，s表示拉普拉斯变换中的复数变量，Δθ表示所述弹性元件的形变量。


4.如权利要求1所述的力矩控制方法，其特征在于，所述通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩，获得实时扰动量，包括：
通过标称动力学模型建立低通滤波器的滤波器模型；
通过扰动观测器根据所述标称动力学模型获得所述标称动力学模型的逆模型；
根据所述标称动力学模型的逆模型、当前时刻电机输入的电流值、当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩和所述滤波器模型，获得实时扰动量。


5.如权利要求4所述的力矩控制方法，其特征在于，所述滤波器模型的表达式为：



其中，Q(s)表示所述滤波器模型，s表示拉普拉斯变换中的复数变量，ωq表示所述低通滤波器的截止频率；
所述实时扰动量的表达式为：



其中，表示的所述扰动量，Q(s)表示所述滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文，赵明国，熊友军，
申请(专利权)人：深圳市优必选科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44