一种柔性关节机器人输出力矩控制方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性关节机器人输出力矩控制方法，包括以下步骤：步骤1、建立机器人柔性单关节的数学模型，如下：其中，θ

【技术实现步骤摘要】
一种柔性关节机器人输出力矩控制方法


[0001]本专利技术涉及
，特别涉及一种柔性关节机器人输出力矩控制方法；

技术介绍

[0002]传统的刚性关节机器人的关节系统由高性能的伺服电机、大减速比的减速 器和负载端依次连接构成；这种刚性关节具有很高的能量密度和较大的摩擦力 矩，使其在精确输出力矩方面表现欠佳；为了弥补这一不足，机器人设计人员 在关节内部的减速器输出端和负载端之间串联一个旋转型的柔性元件，这样改 造后的关节属于柔性关节，具有柔性关节的机器人就是柔性关节机器人；
[0003]对于上述柔性关节，精确地控制其输出力矩是研究人员非常关心的技术问 题；另一方面，机器人关节的输出力矩控制在多级控制系统中处于最内层，其 控制性能的好坏影响了整个控制系统的实现效果；
[0004]由Hooke定律可知，只要精确控制柔性关节中柔性元件的变形角度，就能 够精确控制其输出力矩；基于这一原理，机器人研究人员开发了许多控制方法 用于实现柔性关节的输出力矩控制；但是，就目前的研究成果而言，存在两方 面问题：
[0005]一是许多在时间域开发的力矩控制器需要期望指令的一阶和二阶导数；这 使得力矩控制器在应用于多级控制系统中时，需要求得最外环指令的更高阶导 数；
[0006]二是在典型的柔性关节硬件系统中，需要安装两个编码器用于分别测量关 节电机轴和负载轴的角位置；然而，两个轴的角速度信号通常由数字微分的方 法获得；因此，对于需要速度反馈的控制方法，不可避免地引入噪声；

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提出一种柔性关节机器人输出力矩控制方法，以解决现 有的在时间域上设计的柔性关节输出力矩控制器需要期望指令的一阶和二阶导 数以及需要速度反馈的现象；
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：一种柔性关节机器人输出力矩控制方法，包 括以下步骤：
[0009]步骤1、建立机器人柔性单关节的数学模型，如下：
[0010][0011]其中，θ
m
、和分别是关节电机轴的角位置、角速度和角加速度；J
m
是 关节电机轴的转动惯量；B
m
是关节电机轴的粘性阻尼系数；d
m
(t)是作用在关节 电机轴上的外部扰动；θ
l
、J
l
、B
l
和d
l
(t)分别是关节负载端相对应的物 理量变量或参数；K
s
是关节扭簧的弹性系数；u是关节电机的驱动力矩；
[0012]步骤2、将柔性关节动力学模型(2)写成状态空间形式；令x1＝K
s
(θ
m
‑
θ
l
)，则
表达式(2)可以写成如下形式：
[0013][0014]其中，
[0015]步骤3、针对状态空间形式的柔性关节动力学方程(3)设计有限时间观测器 用于估计系统的速度状态x2和总扰动D；
[0016]步骤4、结合上述观测器设计基于输出反馈的动态面控制器实现柔性关节 输出力矩的鲁棒跟踪；
[0017]进一步的，所述输出口的宽度大于被传送物料的宽度；
[0018]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0019]1、可以估计速度状态，所以最终设计的控制器只依赖于关节电机轴、负载 轴的角位置信号；同时观测器能够估计系统的总扰动，所以使控制器具有较强 的鲁棒性；
[0020]2、观测器是有限时间收敛的，所以能快速估计速度和扰动信号，增强了系 统对扰动的鲁棒性；
[0021]3、本专利技术采用的基于动态面的控制器避免了传统“反步法”控制器对虚拟 控制器导数的依赖，大大简化了控制器设计工作量；
[0022]4、本专利技术设计的控制器只需要期望指令信号的原阶形式，即不需要它的任 何阶导数，这使得该控制器非常适合应用于多级控制系统；
具体实施方式
[0023]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本专利技术进行进一步详细说明；
[0024]实施例一：
[0025]一种柔性关节机器人输出力矩控制方法，步骤1、针对柔性关节状态空间 表达式(3)设计虚拟模型；为此，对(3)的第二个等式两边积分，将其写成如下 形式：
[0026][0027]其中，是一个正的标量数；是 一个已知函数；是未知的积分常数；
[0028]步骤2、针对式(6)设计一个如下形式的虚拟系统：
[0029][0030]其中，是一个虚拟状态，其值可以由式(7)计算；
[0031]步骤3、定义辅助变量x
e
＝x1‑
x
v
，针对x
e
设计如下二阶滑模微分器：
[0032][0033]其中，是微分器增益；
[0034]步骤4、由以上推导出速度状态x2和总扰动D的估计表达式如下：
[0035][0036]然后，结合上述观测器构造动态面控制器，具体过程如下：
[0037]步骤1、定义误差变量如下：
[0038][0039]其中，v1和v2是虚拟控制变量；对于e2，其估计表达式为：
[0040][0041]步骤2、写出e1和e2导数的表达式如下：
[0042][0043]步骤3、对于虚拟控制变量v1和v2，设计如下一阶滤波器：
[0044][0045]其中，是滤波器时间常数；是滤波器输入，表 达式为：
[0046][0047]其中，k1>0是控制增益；
[0048]步骤4、最后设计实际控制律u为：
[0049][0050]其中，k2>0是控制增益；
[0051]上述控制器对应的闭环控制系统的稳定性证明如下：
[0052]步骤1、(6)式减去(7)式，再进行相应的微分操作，推导出下式：
[0053][0054]步骤2、速度状态x2表示为：
[0055][0056]步骤3、高阶滑模微分器(8)的误差表达式为：
[0057][0058]步骤4、结合(9)、(16)和(17)，写出观测器估计误差表达式为：
[0059][0060]步骤5、由高阶滑模微分器的性质及表达式(18)、(19)知，存在有限时刻T
f
>0，当t>T
f
时，下式成立：
[0061][0062]步骤6、对于一阶滤波器(13)，定义滤波误差变量e1和e2导数表达式(12)重新写为：
[0063][0064]步骤7、由(20)知，当t>T
f
时，(21)变为：
[0065][0066]步骤8、对于滤波误差y1和y2，其导数为：
[0067][0068]其中，函数η
i
(*1,*2,
…
,*
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性关节机器人输出力矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立机器人柔性单关节的数学模型，如下：其中，θ
m
、和分别是关节电机轴的角位置、角速度和角加速度；J
m
是关节电机轴的转动惯量；B
m
是关节电机轴的粘性阻尼系数；d
m
(t)是作用在关节电机轴上的外部扰动；θ
l
、J
l
、B
l
和d
l
(t)分别是关...

【专利技术属性】
技术研发人员：张赫，赵杰，李长乐，刘刚峰，
申请(专利权)人：洛阳尚奇机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：