一种重力自适应测量的力闭环零力控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及工业机器人控制技术领域，公开了一种重力自适应测量的力闭环零力控制方法及系统，包括以下步骤：S1.根据关节驱控测模块的电流、位置、速度、力矩模拟量，构建控测一体的协作机器人的关节层动力学模型；S2.根据所述的关节层动力学模型，构建一般形式的柔性关节动力学模型；S3.根据所述的一般形式的柔性关节动力学模型，构建关节层重力矩补偿矩阵，并构建重力矩自适应测量方法；S4.根据所述的一般形式的柔性关节动力学模型和所述的重力矩自适应测量方法，构建力闭环下的零力控制器，并通过所述的零力控制器，实现重力自适应测量的力闭环零力控制。本发明专利技术解决了现有机器人零力控制方法难以直接求解出机器人准确的重力矩及摩擦的问题。重力矩及摩擦的问题。重力矩及摩擦的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种重力自适应测量的力闭环零力控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及工业机器人控制
，更具体的，涉及一种重力自适应测量的力闭环零力控制方法及系统。

技术介绍

[0002]人机协作在工业生产中发挥着越来越重要的角色。然而，工业机器人缺乏与人之间的协作、交互。工业机器人存在以下三个缺点：一是重量和体积较大，搬运困难；二是示教复杂，需要点动示教；三是因安全需要，机器人在工作时，必须将其置于封闭空间。机器人与人之间无法实现人机共融。
[0003]零力控制过程获取外力信息的方式有三种，第一种方式是在关节末端安装六维传感器，示教员通过拖动末端传感器得到力反馈，结合阻抗控制实现直接示教，其缺陷是只能拖动机器人末端关节，机器人不能感知本体信息；第二种方式是无需外力传感器而通过电流信息估计外力矩大小，该方法成本较低，但拖动的响应速度较低、感知能力较弱，常用于小型的机械臂的拖动示教中；第三种方式是在机器人各个关节安装高精度的力矩传感器，结合双编码器检测各个关节的运动量信息，可以通过广义动量法感知机器人本体各个位置的接触信息，并能建立出一个更高精确的动力学模型。
[0004]零力控制需解决的最主要的问题是辨识出机器人各个关节的重力矩及摩擦力矩。然而机器人动力学模型的复杂性难以直接求解出机器人准确的重力矩及摩擦力矩，而传统的通过CAD三维模型辨识的方法精度较低，且偏差较大。因此，一种更优化的方法是通过软件或控制算法，先将两者从动力学模型中解耦出来，再分别采集相关的数据进行辨识，从而大大简化模型，得到更精确的重力矩。
[0005]针对这一问题，现有专利有一种机器人零力控制方法，包括：S1、基于惯性力、离心力、科里奥利力、粘摩擦力、静摩擦力、重力，建立机器人动力学模型；S2、基于所述机器人动力学模型以及反馈数据，计算机器人各个关节的外力力矩；S3、根据步骤S2中计算的外力力矩计算速度指令；S4、根据速度指令以及位置反馈计算位置指令。
[0006]然而现有机器人零力控制方法有难以直接求解出机器人准确的重力矩及摩擦的问题，因此如何专利技术一种能够准确计算重力矩及摩擦的协作机器人零力控制方法，是本
亟需解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决以上现有机器人零力控制方法难以直接求解出机器人准确的重力矩及摩擦的问题，提供了一种重力自适应测量的力闭环零力控制方法及系统，其具有计算准确，方便易用的特点。
[0008]为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：
[0009]一种重力自适应测量的力闭环零力控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0010]S1.根据关节驱控测模块的电流、位置、速度、力矩模拟量，构建控测一体的协作机
器人的关节层动力学模型；
[0011]S2.根据所述的关节层动力学模型，构建一般形式的柔性关节动力学模型；
[0012]S3.根据所述的一般形式的柔性关节动力学模型，构建关节层重力矩补偿矩阵，并构建重力矩自适应测量方法；
[0013]S4.根据所述的一般形式的柔性关节动力学模型和所述的重力矩自适应测量方法，构建力闭环下的零力控制器，并通过所述的零力控制器，实现重力自适应测量的力闭环零力控制。
[0014]优选的，步骤S1，具体步骤为：
[0015]将所述的关节驱控测模块中的谐波减速器和力矩传感器等效为柔性弹簧，并将柔性弹簧结合关节驱控测模块中的力矩电机，一同等效为柔性关节，并根据所述的柔性关节构建关节层动力学模型：
[0016][0017]其中，τ
m
为所述的力矩电机的输出力矩，θ为力矩电机的转角，τ
f
为力矩电机的摩擦力矩，τ为关节的输出力矩，q为关节的转角，B为力矩电机的惯性特性，K为柔性关节的等效刚度系数，τ
t
为外部作用于负载的等效力矩，M(q)表示与柔性关节相连的所有关节的合转动惯量，为θ的二阶导数、为q的二阶导数；
[0018]式中，力矩电机输出力矩τ
m
产生力矩电机的转角θ，通过谐波减速器的力矩放大及摩擦力矩τ
f
消耗，将力矩τ
m
传递至关节末端，得到关节输出力矩τ，所述的关节输出力矩τ带动负载输出关节转角q。
[0019]更进一步的，步骤S2，具体步骤为：
[0020]S201.根据所述的关节层动力学模型，结合力矩电机的反电动势，建立观测值与电机性能的参数耦合方程：
[0021][0022]其中，τ
m
(t)表示力矩电机的实时输出力矩；i
m
(t)表示力矩电机的实时输出的电枢电流；e
m
(t)表示力矩电机的实时输出的力矩电机的实时反电动势；k
m
表示力矩电机的电流
‑
力矩转换系数，h
m
表示反电动势与力矩电机转速的比例系数；
[0023]S202.根据关节的摩擦特性和自身的转动，构建从静止到动态的柔性关节动力学模型：
[0024][0025]S203.根据所述的参数耦合方程和从静止到动态的柔性关节动力学模型，结合电机输出力矩τ
m
的重力项、惯性力项及向心力项，建立一般形式的柔性关节动力学模型：
[0026][0027]式中，为q的一阶导数。
[0028]更进一步的，步骤S3所述的重力矩自适应测量方法，其具体步骤为：
[0029]S301.根据力矩传感器获得的力矩信息，构建重力矩随若干个关节的角度变化模型：
[0030][0031]其中，G(q)＝[G1(q) G2(q) G3(q) G4(q) ... G
n
(q)]T
，表示关节重力矩辨识矩阵，G
c
＝[G
c1 G
c2 G
c3 G
c4 ... G
cn
]T
表示各个关节重力矩影响常数，表示所述的协作机器人任意设定一组位姿下，下一关节的重力矩与当前关节所成夹角的正弦函数；
[0032]S302.将参数矩阵G
c
中的行向量和的列向量相互解耦：
[0033][0034]其中，
[0035][0036]S303.根据关节重力矩辨识矩阵G(q)，构造所述的若干各关节的重力矩补偿模型：
[0037][0038]S304.展开所述的重力矩补偿模型，得到关节层重力矩补偿项：
[0039][0040]S305.通过所述的关节层重力矩补偿项，在不同角度下对重力矩G
c
进行解耦，并实时解算各个关节的重力矩常数项，并且当末端负载变化，通过辨识角度完成重力矩自测量及补偿参数更新。
[0041]更进一步的，步骤S4，根据所述的一般形式的柔性关节动力学模型和所述的重力矩自适应测量方法，构建力闭环下的零力控制器，具体步骤为：
[0042]S401.将所述的力矩传感器测得的等效力矩τ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重力自适应测量的力闭环零力控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.根据关节驱控测模块的电流、位置、速度、力矩模拟量，构建控测一体的协作机器人的关节层动力学模型；S2.根据所述的关节层动力学模型，构建一般形式的柔性关节动力学模型；S3.根据所述的一般形式的柔性关节动力学模型，构建关节层重力矩补偿矩阵，并构建重力矩自适应测量方法；S4.根据所述的一般形式的柔性关节动力学模型和所述的重力矩自适应测量方法，构建力闭环下的零力控制器，并通过所述的零力控制器，实现重力自适应测量的力闭环零力控制。2.根据权利要求1所述的重力自适应测量的力闭环零力控制方法，其特征在于：步骤S1，具体步骤为：将所述的关节驱控测模块中的谐波减速器和力矩传感器等效为柔性弹簧，并将柔性弹簧结合关节驱控测模块中的力矩电机，一同等效为柔性关节，并根据所述的柔性关节构建关节层动力学模型：其中，τ
m
为所述的力矩电机的输出力矩，θ为力矩电机的转角，τ
f
为力矩电机的摩擦力矩，τ为关节的输出力矩，q为关节的转角，B为力矩电机的惯性特性，K为柔性关节的等效刚度系数，τ
t
为外部作用于负载的等效力矩，M(q)表示与柔性关节相连的所有关节的合转动惯量，为θ的二阶导数、为q的二阶导数；式中，力矩电机输出力矩τ
m
产生力矩电机的转角θ，通过谐波减速器的力矩放大及摩擦力矩τ
f
消耗，将力矩τ
m
传递至关节末端，得到关节输出力矩τ，所述的关节输出力矩τ带动负载输出关节转角q。3.根据权利要求2所述的重力自适应测量的力闭环零力控制方法，其特征在于：步骤S2，具体步骤为：S201.根据所述的关节层动力学模型，结合力矩电机的反电动势，建立观测值与电机性能的参数耦合方程：其中，τ
m
(t)表示力矩电机的实时输出力矩；i
m
(t)表示力矩电机的实时输出的电枢电流；e
m
(t)表示力矩电机的实时输出的力矩电机的实时反电动势；k
m
表示力矩电机的电流
‑
力矩转换系数，h
m
表示反电动势与力矩电机转速的比例系数；S202.根据关节的摩擦特性和自身的转动，构建从静止到动态的柔性关节动力学模型：
S203.根据所述的参数耦合方程和从静止到动态的柔性关节动力学模型，结合电机输出力矩τ
m
的重力项、惯性力项及向心力项，建立一般形式的柔性关节动力学模型：式中，为q的一阶导数。4.根据权利要求3所述的重力自适应测量的力闭环零力控制方法，其特征在于：步骤S3所述的重力矩自适应测量方法，其具体步骤为：S301.根据力矩传感器获得的力矩信息，构建重力矩随若干个关节的角度变化模型：其中，G(q)＝[G1(q) G2(q) G3(q) G4(q)
ꢀ…ꢀ
G
n
(q)]
T
表示关节重力矩辨识矩阵，G
c
＝[G
c1 G
c2 G
c3 G
c4
ꢀ…ꢀ
G
cn
]
T
表示各个关节重力矩影响常数，表示所述的协作机器人任意设定一组位姿下，下一关节的重力矩与当前关节所成夹角的正弦函数；S302.将参数矩阵G
c
中的行向量和的列向量相互解耦：其中，其中，S303.根据关节重力矩辨识矩阵G(q)，构造若干各关节的重力矩补偿模型：S304.展开所述的重力矩补偿模型，得到关节层重力矩补偿项：S305.通过所述的关节层重力矩补偿项，...

【专利技术属性】
技术研发人员：管贻生，王杰，朱海飞，陈燊豪，叶鹏程，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：