机械臂接触力的控制系统、机械臂和机器人技术方案

本发明专利技术提供一种机械臂接触力的控制系统、机械臂和机器人，控制系统包括：I

【技术实现步骤摘要】
机械臂接触力的控制系统、机械臂和机器人


[0001]本专利技术涉数据处理
，具体涉及一种机械臂接触力的控制系统、一种机械臂和一种机器人。

技术介绍

[0002]目前，机器人的机械臂的力控制技术常用的方案为：一是通过机器人期望运动轨迹的自适应修正实现接触力控制；二是通过导纳控制器结合比例
‑
积分
‑
微分(PID)形式的外环力控制回路实现接触力控制。
[0003]由于自适应收敛速度和收敛精度的限制，通过自适应机器人期望轨迹的接触力控制方式的动态响应性能差。PID形式的力控制器和导纳控制器设计时并没有考虑机器人跟踪误差和环境刚度、位置动态变化的影响，导致实际接触力响应性能难以达到预期，并且系统稳定性差。
[0004]因此，如何提高机械臂接触力控制的动态响应性能和稳定性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种机械臂接触力的控制系统，该控制系统，在基于导纳控制架构的基础上，引用I
‑
PD(Integration
‑
Proportion Differentiation，积分
‑
比例微分)力控制器，通过力控制器和导纳控制器的匹配设计，在保证接触力动态响应性能的同时提高交互系统的干扰抑制能力。
[0006]本专利技术还提供了一种机械臂。
[0007]本专利技术还提供了一种机器人。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]本专利技术的第一方面实施例提出了一种机械臂接触力的控制系统，包括：I
‑
PD力控制器，所述I
‑
PD力控制器用于根据机械臂的期望接触力F
d
和实际接触力F
c
产生输出信号F
r
；导纳控制器，对所述I
‑
PD力控制器和所述导纳控制器进行匹配设计，所述导纳控制器的输入端与所述I
‑
PD力控制器的输出端相连，所述导纳控制器用于根据所述输出信号F
r
输出机械臂的位姿偏差E；加法器，所述加法器的第一输入端与所述导纳控制器的输出端相连，所述加法器用于根据所述机械臂的位姿偏差E输出机械臂的参考位姿X
r
；交互系统，所述交互系统的输入端与所述加法器的输出端相连，所述交互系统用于根据所述参考位姿X
r
输出机械臂的实际位姿X，并检测机械臂与环境接触时基于所述机械臂的实际位姿X输出实际接触力F
c
，将所述实际接触力F
c
通过反馈输入所述I
‑
PD力控制器的输入端。
[0010]本专利技术上述提出的机械臂接触力的控制系统还具有如下附加技术特征：
[0011]根据本专利技术的一个实施例，采用以下公式对所述力控制器和所述导纳控制器进行
匹配设计：
[0012]其中，
ωn
和
ξ
分别表示二阶系统的谐振频率和阻尼比，
Tc
表示一阶系统的时间常数，M、D、K分别表示导纳控制器的期望二阶系统的质量/惯量、阻尼和刚度矩阵，K
i
,K
p
,K
d
分别为I
‑
PD力控制器的积分、比例和微分系数，K
e
表示环境刚度，
ωa
表示第一匹配系数，
ξa
表示第二匹配系数。
[0013]根据本专利技术的一个实施例，通过以下公式获取所述控制系统的期望接触力跟踪传递函数T(s)和干扰抑制传递函数S(s)：递函数T(s)和干扰抑制传递函数S(s)：其中，T(s)为所述期望接触力跟踪传递函数，S(s)为所述干扰抑制传递函数，s为拉普拉斯算子，ω
n
和ξ分别表示二阶系统的谐振频率和阻尼比，T
c
表示一阶系统的时间常数，ω
a
表示第一匹配系数，ξ
a
表示第二匹配系数。
[0014]根据本专利技术的一个实施例，所述加法器根据以下公式输出参考位姿X
r
：X
r
＝X
d,n
+δX
d
‑
E；其中，X
r
为参考位姿，δX
d
为所述期望位姿修正量，X
d,n
为所述名义的期望位姿，E为所述位姿偏差。
[0015]根据本专利技术的一个实施例，所述交互系统用于根据所述参考位姿X
r
输出机械臂的实际位姿X，并检测机械臂与环境接触时基于所述机械臂的实际位姿X产生的实际接触力F
c
，包括：所述交互系统在机械臂与环境接触时，根据环境刚度K
e
、机械臂的实际位姿X和环境位置X
e
输出机械臂的实际接触力F
c
。
[0016]根据本专利技术的一个实施例，具体根据以下公式输出机械臂的实际接触力F
c
：F
c
＝K
e
(X
‑
X
e
)；其中，F
c
为实际接触力，K
e
为环境刚度，X为实际位姿，X
e
为环境位置。
[0017]根据本专利技术的一个实施例，上述的机械臂接触力的控制系统还包括：干扰观测器(DOB，Disturbance Observer)，所述干扰观测器的第一输入端与所述加法器的输出端相连，所述干扰观测器的第二输入端输入所述实际接触力F
c
，所述干扰观测器用于根据所述实际接触力F
c
和所述参考位姿X
r
计算得到的期望位姿修正量δX
d
，并将所述期望位姿修正量δX
d
输入所述加法器的第三输入端，以使所述加法器根据所述位姿偏差E、所述名义的期望位姿X
d,n
和所述期望位姿修正量δX
d
输出参考位姿X
r
。
[0018]根据本专利技术的一个实施例，采用以下公式选择干扰观测器的滤波器：其中，Q(s)为所述滤波器，s为拉普拉斯算子，a1、a2、a3和b2为第一至第四系数。
[0019]根据本专利技术的一个实施例，所述第一至第四系数a1、a2、a3和b2根据交互系统的实际模型P(s)和名义模型P
n
(s)之间的偏差设定。
[0020]本专利技术的第二方面实施例提出了一种机械臂，包括本专利技术第一方面实施例所述的机械臂接触力的控制系统。
[0021]本专利技术的第三方面实施例提出了一种机器人，包括本专利技术第二方面实施例所述的机械臂。
[0022]本专利技术的有益效果：
[0023]本专利技术在基于导纳控制架构的基础上，引用干扰观测器和I
‑
PD力控制器，在导纳控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械臂接触力的控制系统，其特征在于，包括：I
‑
PD力控制器，所述I
‑
PD力控制器用于根据机械臂的期望接触力F
d
和实际接触力F
c
产生输出信号F
r
；导纳控制器，对所述I
‑
PD力控制器和所述导纳控制器进行匹配设计，所述导纳控制器的输入端与所述I
‑
PD力控制器的输出端相连，所述导纳控制器用于根据所述输出信号F
r
输出机械臂的位姿偏差E；加法器，所述加法器的第一输入端与所述导纳控制器的输出端相连，所述加法器用于根据所述机械臂的位姿偏差E输出机械臂的参考位姿X
r
；交互系统，所述交互系统的输入端与所述加法器的输出端相连，所述交互系统用于根据所述参考位姿X
r
输出机械臂的实际位姿X，并检测机械臂与环境接触时基于所述机械臂的实际位姿X输出实际接触力F
c
，将所述实际接触力F
c
通过反馈输入所述I
‑
PD力控制器的输入端。2.根据权利要求1所述的机械臂接触力的控制系统，其特征在于，采用以下公式对所述力控制器和所述导纳控制器进行匹配设计：力控制器和所述导纳控制器进行匹配设计：其中，ω
n
和ξ分别表示二阶系统的谐振频率和阻尼比，
Tc
表示一阶系统的时间常数，M、D、K分别表示导纳控制器的期望二阶系统的质量/惯量、阻尼和刚度矩阵，K
i
,K
p
,K
d
分别为I
‑
PD力控制器的积分、比例和微分系数，K
e
表示环境刚度，ω
a
表示第一匹配系数，ξ
a
表示第二匹配系数。3.根据权利要求2所述的机械臂接触力的控制系统，其特征在于，通过以下公式获取控制系统的期望接触力跟踪传递函数T(s)和干扰抑制传递函数S(s)：制系统的期望接触力跟踪传递函数T(s)和干扰抑制传递函数S(s)：其中，T(s)为所述期望接触力跟踪传递函数，S(s)为所述干扰抑制传递函数，s为拉普拉斯算子，ω
n
和ξ分别表示二阶系统的谐振频率和阻尼比，T
c
表示一阶系统的时间常数，ω
a
表示第一匹配系数，ξ
a
表示第二匹配系数。4.跟据权利要求1所述的机械臂接触力的控制系统，其特征在于，所述加法器根据以下公式输出参考位姿X
r

【专利技术属性】
技术研发人员：魏洪兴，崔元洋，王冲冲，孙欣然，
申请(专利权)人：遨博北京智能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：