杠杆式变刚度关节的刚度控制方法及外力估计方法技术

本发明专利技术提供了一种杠杆式变刚度关节的刚度控制方法，基于最大外力矩约束和上一时刻外力估计值设计了一种刚度变量区域控制器，实现了刚度数值的动态更新；通过动态调节刚度变量使得刚度处于恒刚度区域，保证了关节具有合适的刚度，以提高与外界环境交互的安全性，同时避免输出饱和力矩。本发明专利技术还提出一种杠杆式变刚度关节的外力估计方法，利用获取的刚度数值计算自适应融合系数；基于变刚度关节的电流信息获取外力估计I；基于变刚度关节的弹性变形信息和刚度数值获取外力估计II；基于自适应融合系数、外力估计I和外力估计II，获得基于电流和弹性变形信息相融合的外力估计值，提高了在动态和准静态刚度下的外力估计效果。动态和准静态刚度下的外力估计效果。动态和准静态刚度下的外力估计效果。

【技术实现步骤摘要】
杠杆式变刚度关节的刚度控制方法及外力估计方法


[0001]本专利技术属于机器人变刚度关节
，具体涉及一种杠杆式变刚度关节的刚度控制方法及外力估计方法。

技术介绍

[0002]本申请是申请日为2023年1月18日、申请号为2023100885343、专利技术名称为“一种变刚度关节外力估计方法和装置”的专利的分案申请。
[0003]刚度是变刚度关节中一个非常重要的因素，其直接影响着关节的性能指标，如外力估计分辨率、与外界交互的安全性、任务过程的动态适应性等。刚度低时，机器人与外界交互(机器人与人、机器人与环境)的安全性越高，此时基于弹性变形的外力估计分辨率越高，外力估计精度也越高；而刚度高时，由于变刚度关节在不同刚度下关节所允许的外力矩不同，刚度越高所能承受的外力矩越大，适合较大外力矩的情况(如果一个较低的刚度承受较大的外力矩，即超过所允许范围的外力矩，会导致外力估计时力矩的饱和输出，不能真实反映当前的外力矩)；对于稳定性要求就高的场合，刚度越高，稳定性也越高。在某个应用场合中，会对多个相互约束的、与刚度有关的性能指标提出要求，各个指标的权重有一定的差异，此时，需要通过对刚度进行控制，以获取满足要求的综合性能指标。
[0004]因此，如何调节关节刚度特性，以满足不同应用场合下的性能指标要求，是物理交互类机器人与外部环境交互接触运行控制过程中亟需解决的一项重要问题。
[0005]另外，在复杂的交互任务中，高精度外力自感知是未来重要的发展方向。目前机器人的外力自感知更多是依赖于电流信息，例如，中国专利201410112717.5，202210279718.3，202210207511.5等所公布的外力估计方法，均需要建立能够体现电流与外力映射关系的动力学模型，但该方式受动力学模型准确程度影响较大。此外，对于变刚度关节来说，其采用了位置电机和刚度调节电机双驱动的配置形式，动力学模型的复杂程度以及动态未建模残余部分制约着外力估计效果。
[0006]由于变刚度关节具有内部柔顺性能，还可通过检测关节内部弹性变形估计外力，但是该方法在准静态刚度下具有较好的外力估计效果，在动态刚度下，其外力估计效果往往较差。
[0007]因此，如何实现变刚度关节的高精度的外力估计，是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0008]针对现实应用中需要精准控制变刚度关节的关节刚度以满足某些特性的需要以及现有相关技术的缺乏，本专利技术提供了一种杠杆式变刚度关节的刚度控制方法，能够在杠杆式变刚度关节系统中实现获取刚度数值，以便于精准量化变刚度关节在运动控制过程中的关节形变状况，并实时控制关节刚度以满足不同任务下性能指标的要求。
[0009]针对现有技术中，需要实现杠杆式变刚度关节的高精度的外力估计的问题，本专利技术提供了一种杠杆式变刚度关节外力估计方法，提高了动态刚度下外力估计分辨率，能够
精准的实现变刚度关节的高精度的外力估计。
[0010]具体的，本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0011]本专利技术第一方面提供了一种杠杆式变刚度关节的刚度控制方法，包括以下步骤：
[0012]设计刚度区域控制器，基于上一时刻外力估计值和最大外力矩约束，计算出刚度变量期望值；
[0013]将刚度变量期望值作用于刚度调节电机的运动控制，获得刚度变量实际值；
[0014]将刚度变量实际值代入刚度模型中，得到更新后的刚度数值，其中，刚度模型为刚度变量的函数。
[0015]在第一方面的一种实施例中，设计刚度区域控制器，基于上一时刻外力估计值和最大外力矩约束，计算出刚度变量期望值，包括：
[0016]基于李雅普诺夫屏障函数，设计刚度区域控制器；
[0017]对于杠杆式变刚度关节，用于刚度区域控制器的李雅普诺夫屏障函数表示为：
[0018][0019]其中，η表示函数变量，η＝|τ
q
|/τ
em
‑
η0；η0、η1、η2均是正常数而且满足η0＝η2＝0.5，η1<0.5；τ
q
表示估计的外力矩；τ
em
表示特定刚度变量γ下关节最大的允许外力矩，与刚度变量γ有关；|τ
q
|/τ
em
的取值范围为[0，1]；
[0020]基于李雅普诺夫屏障函数，将刚度调节划分为三个区域，即刚度增加区域、刚度减小区域及恒刚度区域；
[0021]根据李雅普诺夫屏障函数涉及的区域，将其导数表示为：
[0022][0023]设计合适的使其满足以保证η处在恒刚度区域中，的表达式为：
[0024][0025]其中，k
η
为表示杠杆式变刚度关节的刚度从刚度增加区域或者刚度减小区域进入到恒刚度区域快慢的常数，且k
η
大于0；
[0026]根据η的定义将η的导数表达为：
[0027][0028]其中，表示杠杆式变刚度关节刚度变量γ的导数；
[0029]进一步整理后，获得的表达式：
[0030][0031]在一种实施例中，基于李雅普诺夫屏障函数，将刚度调节划分为三个区域时，依据的是李雅普诺夫屏障函数的参数η；
[0032]当η＞η1时，为刚度增加区域；
[0033]当η<
‑
η1时，为刚度减小区域；
[0034]当
‑
η1<η<η1时，为恒刚度区域。
[0035]本专利技术第二方面还提供一种自适应融合系数获取方法，包括：
[0036]采用前述的杠杆式变刚度关节的刚度控制方法实时获取刚度数值；
[0037]将获取的刚度数值代入自适应融合系数模型中进行解算，获得自适应融合系数；所述适应融合系数模型为：
[0038][0039]其中，表示关节刚度K导数的绝对值，R
w1
和R
w2
均为正常数，满足R
w2
＞R
w1
。
[0040]本专利技术第三方面提供一种变刚度关节外力估计方法，包括以下步骤：
[0041]采用所述的自适应融合系数获取方法实时获取自适应融合系数；
[0042]基于变刚度关节的电流信息获取外力估计I；
[0043]基于变刚度关节的弹性变形信息和刚度数值获取外力估计II，所述外力估计II的表达式为：
[0044][0045]其中，K(γ)表示刚度数值，表示关节内部弹性变形；
[0046]基于自适应融合系数、外力估计I和外力估计II，获得基于电流和弹性变形信息相融合的外力估计值：
[0047]τ
q
＝K
τ
τ
ei
+(1
‑
K
τ
)τ
ec
[0048]其中，τ
ei
为外力估计I，τ
ec
为外力估计I本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种杠杆式变刚度关节的刚度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：设计刚度区域控制器，基于上一时刻外力估计值和最大外力矩约束，计算出刚度变量期望值；将刚度变量期望值作用于刚度调节电机的运动控制，获得刚度变量实际值；将刚度变量实际值代入刚度模型中，得到更新后的刚度数值，其中，刚度模型为刚度变量的函数。2.根据权利要求1所述的一种杠杆式变刚度关节的刚度控制方法，其特征在于，设计刚度区域控制器，基于上一时刻外力估计值和最大外力矩约束，计算出刚度变量期望值，包括：基于李雅普诺夫屏障函数，设计刚度区域控制器；对于杠杆式变刚度关节，用于刚度区域控制器的李雅普诺夫屏障函数表示为：其中，η表示函数变量，η＝|τ
q
|/τ
em
‑
η0；η0、η1、η2均是正常数而且满足η0＝η2＝0.5，η1<0.5；τ
q
表示估计的外力矩；τ
em
表示特定刚度变量γ下关节最大的允许外力矩，与刚度变量γ有关；|τ
q
|/τ
em
的取值范围为[0，1]；基于李雅普诺夫屏障函数，将刚度调节划分为三个区域，即刚度增加区域、刚度减小区域及恒刚度区域；根据李雅普诺夫屏障函数涉及的区域，将其导数表示为：设计合适的使其满足以保证η处在恒刚度区域中，的表达式为：其中，k
η
为表示杠杆式变刚度关节的刚度从刚度增加区域或者刚度减小区域进入到恒刚度区域快慢的常数，且k
η
大于0；根据η的定义将η的导数表达为：其中，表示杠杆式变刚度关节刚度变量γ的导数；进一步整理后，获得的表达式：
3.根据权利要求2所述的一种杠杆式变刚度关节的刚度控制方法，其特征在于：基于李雅普诺夫屏障函数，将刚度调节划分为三个区域时，依据的是李雅普诺夫屏障函数的参数η；当η＞η1时，为刚度增加区域；当η<
‑
η1时，为刚度减小区域；当
‑
η1<η<η1时，为恒刚度区域。4.一种自适应融合系数获取方法，其特征在于，包括：采用权利要求1或2或3所述的杠杆式变刚度关节的刚度控制方法实时获取刚度数值；将获取的刚度数值代入自适应融合系数模型中...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁英豪，曾波，杨荣超，苗芊，张勍，赵航，张鹏飞，史占东，于千源，范黎，李栋，
申请(专利权)人：中国烟草总公司郑州烟草研究院，
类型：发明
国别省市：