一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法及装置，方法包括：获取机械臂端部所受的合力；合力为机械臂抓握物体时机械臂端部所受的第一作用力与操作者对机械臂端部的第二作用力的合力；根据合力、机器人的质量特性系数、机器人的阻尼特性系数、机器人的弹簧特性系数以及机械臂的电机关节位置信息，计算得到待处理的输入信号；根据预先构建的双输入单输出状态空间表达式确定对待处理的输入信号的高通滤波截止频率；根据高通滤波截止频率对待处理的输入信号进行高通滤波，以消除待处理的输入信号中的第一作用力，得到第二作用力。本发明专利技术将机械臂端部所受合力解耦并得到操作者对机械臂端部的作用力，可广泛应用于机器人控制领域。于机器人控制领域。于机器人控制领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法及装置


[0001]本专利技术涉及机器人控制领域，尤其是一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法及装置。

技术介绍

[0002]机器人学作为一门迅速发展的综合性的前沿科学，机器人的理论和技术在不断的更新与迭代。传统的工业中，为了能让机器人更好的帮助人类完成任务，出现了机器人的示教需求，主要分成在线和离线两类，前者通过操作者使用示教工具来控制机器人的末端位姿到达期望位姿，后者则是通过编程实现工件的轨迹规划。然而两者都要求操作者具有特定的机器人学知识，导致示教效率较低，但协作机器人的诞生改变了这一现状。研究人员在研究人机交互的过程中，出现了一种新兴的示教模式，即直接示教技术。人与机器人的直接接触来牵引机器人的末端来达到期望位姿，进而实现对机器人的运动控制。这样一来便可大大提高示教的效率。
[0003]在拖动示教中，由于打破了传统的人与机器单独分离的空间间隔，因此不能像传统机器人的控制方式那样，仅仅依靠位置模式就实现机器人的运动与轨迹规划等。由于协作机器人处于复杂的无约束的环境中，相较于工业机器人而言缺乏一定的感知能力，所以需要解决的关键问题，即零力控制。
[0004]目前，零力控制包括将机器人与人交互表现中的运动参数实时的传递给控制层，然后通过补偿等方法控制机器人与外界力的感知。但机械臂端部抓握的物体重力与人施加于机械臂端部的作用力将耦合成一个合力作为信号输入到零力控制的算法当中，导致现有零力控制方法无法灵活运用。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例提供一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法及装置，用于将机械臂端部所受合力解耦并从解耦的合力中得到操作者对机械臂端部的作用力。
[0006]本专利技术实施例的一方面提供了一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法，包括：
[0007]获取机械臂端部所受的合力；其中，所述合力为机械臂抓握物体时所述机械臂端部所受的第一作用力与操作者对所述机械臂端部的第二作用力的合力；
[0008]根据所述合力、机器人的质量特性系数、机器人的阻尼特性系数、机器人的弹簧特性系数以及所述机械臂的电机关节位置信息，计算得到待处理的输入信号；
[0009]根据预先构建的双输入单输出状态空间表达式确定对所述待处理的输入信号的高通滤波截止频率；
[0010]根据所述高通滤波截止频率对所述待处理的输入信号进行高通滤波，以消除所述待处理的输入信号中的所述第一作用力，得到所述第二作用力。
[0011]可选地，所述获取机械臂端部所受的合力，包括：
[0012]通过设置于所述机械臂端部的六轴传感器获取所述机械臂端部所受的合力。
[0013]可选地，所述根据所述合力、机器人的质量特性系数、机器人的阻尼特性系数、机器人的弹簧特性系数以及所述机械臂的电机关节位置信息，计算得到待处理的输入信号，包括：
[0014]根据第一表达式计算得到待处理的输入信号，所述第一表达式为：
[0015][0016]其中，F
N
表示所述待处理的输入信号，F
c
表示所述合力，M表示所述质量特性系数，B表示所述阻尼特性系数，K表示所述弹簧特性系数，x表示所述电机关节位置信息，与分别表示所述电机关节位置信息的一阶微分与二阶微分。
[0017]可选地，所述根据预先构建的双输入单输出状态空间表达式确定对所述待处理的输入信号的高通滤波截止频率，包括：
[0018]根据所述双输入单输出状态空间表达式确定所述总输入信号中位置输入系统的系统矩阵和所述总输入信号中力矩输入系统的系统矩阵；
[0019]所述双输入单输出状态空间表达式为：
[0020][0021]其中，x
R
和x
N
分别表示所述位置输入系统和所述力矩输入系统的状态向量，A
R
和A
N
分别表示所述位置输入系统和所述力矩输入系统的系统矩阵，b
R
和b
N
分别表示所述位置输入系统和所述力矩输入系统的控制矩阵，c
R
和c
N
表示所述位置输入系统和所述力矩输入系统的输出矩阵，y为所述双输入单输出状态空间表达式的输出；
[0022]根据由所述系统矩阵的特征值确定的最小根，确定所述高通滤波截止频率。
[0023]可选地，所述系统矩阵、所述控制矩阵以及所述输出矩阵分别表示为：
[0024][0025][0026]其中，各个所述矩阵的参数如下：
[0027]A
i
＝(m+M)L,i＝{R N}
[0028]B
i
＝(f+mω
c
+B)L+(m+M)R,i＝{R N}
[0029]C
i
＝(fω
c
+K)L+(mω
c
+f+B)R+C
k
K
t
,i＝{R N}
[0030]D
i
＝(fω
c
+K)R+C
k
K
t
ω
c
+K
t
K
p
,i＝{R N}
[0031]E
i
＝K
t
K
p
ω
c
,i＝{R N}
[0032]F
R
＝K
t
K
p
[0033]F
N
＝
‑
L
[0034]G
R
＝K
t
K
p
ω
c
[0035]G
N
＝
‑
R
[0036]其中，m表示转子质量，M表示所述质量特性系数，B表示所述阻尼特性系数，K表示所述弹簧特性系数，f表示摩擦系数，K
t
表示推力常数，K
p
表示PID控制器系数，C
k
表示反电势常数，R表示电阻，L表示电感。
[0037]可选地，所述根据由所述系统矩阵的特征值确定的最小根，确定所述高通滤波截止频率，包括：
[0038]将所述最小根表示为x1，确定所述高通滤波截止频率的取值范围为0<ω
c
<x1，其中，ω
c
表示所述高通滤波截止频率。
[0039]可选地，所述根据所述高通滤波截止频率对所述待处理的输入信号进行高通滤波，以消除所述待处理的输入信号中的所述第一作用力，得到所述第二作用力，包括：
[0040]根据高通滤波器的第二表达式对所述待处理的输入信号进行高通滤波；
[0041]所述第二表达式为：
[0042][0043]其中，s表示拉氏变量，ω
c
表示所述高通滤波截本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法，其特征在于，包括：获取机械臂端部所受的合力；其中，所述合力为机械臂抓握物体时所述机械臂端部所受的第一作用力与操作者对所述机械臂端部的第二作用力的合力；根据所述合力、机器人的质量特性系数、机器人的阻尼特性系数、机器人的弹簧特性系数以及所述机械臂的电机关节位置信息，计算得到待处理的输入信号；根据预先构建的双输入单输出状态空间表达式确定对所述待处理的输入信号的高通滤波截止频率；根据所述高通滤波截止频率对所述待处理的输入信号进行高通滤波，以消除所述待处理的输入信号中的所述第一作用力，得到所述第二作用力。2.根据权利要求1所述的一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法，其特征在于，所述获取机械臂端部所受的合力，包括：通过设置于所述机械臂端部的六轴传感器获取所述机械臂端部所受的合力。3.根据权利要求1所述的一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法，其特征在于，所述根据所述合力、机器人的质量特性系数、机器人的阻尼特性系数、机器人的弹簧特性系数以及所述机械臂的电机关节位置信息，计算得到待处理的输入信号，包括：根据第一表达式计算得到待处理的输入信号，所述第一表达式为：其中，F
N
表示所述待处理的输入信号，F
c
表示所述合力，M表示所述质量特性系数，B表示所述阻尼特性系数，K表示所述弹簧特性系数，x表示所述电机关节位置信息，与分别表示所述电机关节位置信息的一阶微分与二阶微分。4.根据权利要求1所述的一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法，其特征在于，所述根据预先构建的双输入单输出状态空间表达式确定对所述待处理的输入信号的高通滤波截止频率，包括：根据所述双输入单输出状态空间表达式确定所述总输入信号中位置输入系统的系统矩阵和所述总输入信号中力矩输入系统的系统矩阵；所述双输入单输出状态空间表达式为：其中，x
R
和x
N
分别表示所述位置输入系统和所述力矩输入系统的状态向量，A
R
和A
N
分别表示所述位置输入系统和所述力矩输入系统的系统矩阵，b
R
和b
N
分别表示所述位置输入系统和所述力矩输入系统的控制矩阵，c
R
和c
N
表示所述位置输入系统和所述力矩输入系统的输出矩阵，y为所述双输入单输出状态空间表达式的输出；根据由所述系统矩阵的特征值确定的最小根，确定所述高通滤波截止频率。5.根据权利要求4所述的一种基于高通滤波解耦的机器人零力控制方法，其特征在于，所述系统矩阵、所述控制矩阵以及所述输出矩阵分别表示为：
其中，各个所述矩阵的参数如下：A
i
＝(m+M)L,i＝{R N}B
i
＝(f+mω
c
+B)L+(m+M)R,i＝{R N}C
i
＝(fω
c
+K)L+(mω
c
+f+B)R+C
k
K
t
,i＝{R N}D...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁北辰，李杰添，刁琪，魏亮亮，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：