一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法及系统技术方案

一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法及系统，涉及机械臂关节控制领域，针对现有技术中减速器和力矩传感器的刚度并非无穷大，减速器和力矩传感器的刚度受限，进而降低了机械臂关节的运动精度的问题，本申请同时适用于关节在无障碍空间的高精度运动控制和有障碍物阻挡时的柔顺控制，无需切换控制律；本申请克服了关节谐波减速器和力矩传感器的弹性的影响，实现了关节刚度的精确调整。实现了关节刚度的精确调整。实现了关节刚度的精确调整。

【技术实现步骤摘要】
一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及机械臂关节控制领域，具体为一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法及系统。

技术介绍

[0002]轻型协作机械臂的关节中采用谐波减速器驱动，谐波减速器的弹性不可忽略。关节运动时，电机的控制量并不是直接带动连杆运动，而是经过谐波减速器传动，再带动连杆运动，另外，为了增加机械臂的感知性能，关节中安装有力矩传感器，力矩传感器也是弹性元件，减速器和力矩传感器的刚度并非无穷大，二者的弹性制约了关节的控制性能，使得机械臂关节的调整精度低。
[0003]尽管连杆端动力学和电机端动力学均存在非线性，但可通过反馈线性化方式消除，而传动系统的弹性将降低机械臂的运动精度，造成末端弹性震颤；另外，谐波减速器的刚度会影响阻抗控制性能，使得整个系统刚度并非是期望的阻抗刚度，而是谐波减速器刚度与期望阻抗刚度的串联刚度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：针对现有技术中减速器和力矩传感器的刚度并非无穷大，减速器和力矩传感器的刚度受限，进而降低了机械臂关节的运动精度的问题，提出一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法及系统。
[0005]本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0006]一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：根据工作过程中机械臂关节的运动，构建动力学力矩；
[0008]步骤二：利用关节力矩传感器获取工作过程中机械臂关节的力矩，并利用关节力矩传感器得到的力矩减去动力学力矩，得到关节工作过程中受到的外部力矩；
[0009]步骤三：设定期望阻尼参数B
imp
、期望刚度参数K
imp
和期望惯量参数M
imp
，并结合关节工作过程中受到的外部力矩，得到关节阻抗控制的关节阻抗力矩；
[0010]步骤四：利用关节阻抗力矩和关节力矩传感器得到的力矩，得到电机期望轨迹的闭环补偿加速度，并对电机期望轨迹的闭环补偿加速度进行积分，进而得到电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿位置；
[0011]步骤五：基于关节阻抗力矩，并考虑机械臂关节弹性的形变，得到电机期望轨迹的前馈位置修正量Δq
f
；
[0012]步骤六：基于规划的关节期望位置、关节期望速度、关节期望加速度、电机期望轨迹的闭环补偿位置，电机期望轨迹的闭环补偿速度、电机期望轨迹的闭环补偿加速度以及电机期望轨迹的前馈位置修正量，得到电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度；
[0013]所述电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度表示为：
[0014][0015][0016]q
r
＝q
d
+Δq
f
+Δq
b
[0017]其中，q
r
、和分别为电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度，q
d
、和分别为规划的关节期望位置、关节期望速度和关节期望加速度，Δq
b
、分别为电机期望轨迹的闭环补偿位置、电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿加速度，Δq
f
为电机期望轨迹的前馈位置修正量；
[0018]步骤七：基于电机期望位置，电机期望速度和电机期望加速度设计电机的控制律u，并利用控制律u完成机械臂关节的阻抗控制。
[0019]进一步的，所述动力学力矩表示为：
[0020][0021]其中，τ
dyn
为机械臂关节运动的动力学力矩，为估计的关节负载惯量，为估计的关节摩擦系数，为估计的关节受到的重力矩，为估计的关节实际加速度，为估计的关节实际速度。
[0022]进一步的，所述关节工作过程中受到的外部力矩表示为：
[0023][0024]其中，为关节工作过程中受到的外部力矩，τ
s
为关节力矩传感器测量值。
[0025]进一步的，所述关节阻抗控制的关节阻抗力矩表示为：
[0026][0027][0028]其中，τ
imp
为关节阻抗力矩，为实现关节期望阻抗特性的关节加速度，q
d
、和分别为规划的关节期望位置、关节期望速度和关节期望加速度，为估计的关节实际位置。
[0029]进一步的，所述电机期望轨迹的闭环补偿加速度、电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿位置分别表示为：
[0030][0031][0032][0033]其中，Δ
q
b、分别为电机期望轨迹的闭环补偿位置、电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿加速度，K
m
和K
b
分别为惯性增益参数和阻尼增益参数，dt为时间变量的微分符号。
[0034]进一步的，所述电机期望轨迹的前馈位置修正量Δq
f
表示为：
[0035][0036]其中，为关节刚度的估计值。
[0037]进一步的，所述电机的控制律u，表示为：
[0038][0039]其中，为电机惯量的估计值，K
p
和K
d
分别为比例增益参数和微分增益参数，为估计的电机粘滞摩擦系数，为估计的电机库伦摩擦系数，q
m
为电机位置传感器测量值，为估计的电机实际速度。
[0040]一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制系统，所述系统包括动力学力矩模块、外部力矩模块、关节阻抗力矩模块、闭环模块、前馈模块、期望模块以及阻抗控制模块；
[0041]所述动力学力矩模块用于根据工作过程中机械臂关节的运动，构建动力学力矩；
[0042]所述外部力矩模块用于利用关节力矩传感器获取工作过程中机械臂关节的力矩，并利用关节力矩传感器得到的力矩减去动力学力矩，得到关节工作过程中受到的外部力矩；
[0043]所述关节阻抗力矩模块用于设定期望阻尼参数B
imp
、期望刚度参数K
imp
和期望惯量参数M
imp
，并结合关节工作过程中受到的外部力矩，得到关节阻抗控制的关节阻抗力矩；
[0044]所述闭环模块用于利用关节阻抗力矩和关节力矩传感器得到的力矩，得到电机期望轨迹的闭环补偿加速度，并对电机期望轨迹的闭环补偿加速度进行积分，进而得到电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿位置；
[0045]所述前馈模块用于基于关节阻抗力矩，并考虑机械臂关节弹性的形变，得到电机期望轨迹的前馈位置修正量Δq
f
；
[0046]所述期望模块用于基于规划的关节期望位置、关节期望速度、关节期望加速度、电机期望轨迹的闭环补偿位置，电机期望轨迹的闭环补偿速度、电机期望轨迹的闭环补偿加速度以及电机期望轨迹的前馈位置修正量，得到电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度，所述电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度表示为：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：根据工作过程中机械臂关节的运动，构建动力学力矩；步骤二：利用关节力矩传感器获取工作过程中机械臂关节的力矩，并利用关节力矩传感器得到的力矩减去动力学力矩，得到关节工作过程中受到的外部力矩；步骤三：设定期望阻尼参数B
imp
、期望刚度参数K
imp
和期望惯量参数M
imp
，并结合关节工作过程中受到的外部力矩，得到关节阻抗控制的关节阻抗力矩；步骤四：利用关节阻抗力矩和关节力矩传感器得到的力矩，得到电机期望轨迹的闭环补偿加速度，并对电机期望轨迹的闭环补偿加速度进行积分，进而得到电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿位置；步骤五：基于关节阻抗力矩，并考虑机械臂关节弹性的形变，得到电机期望轨迹的前馈位置修正量Δq
f
；步骤六：基于规划的关节期望位置、关节期望速度、关节期望加速度、电机期望轨迹的闭环补偿位置，电机期望轨迹的闭环补偿速度、电机期望轨迹的闭环补偿加速度以及电机期望轨迹的前馈位置修正量，得到电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度；所述电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度表示为：所述电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度表示为：q
r
＝q
d
+Δq
f
+Δq
b
其中，q
r
、和分别为电机期望位置、电机期望速度和电机期望加速度，q
d
、和分别为规划的关节期望位置、关节期望速度和关节期望加速度，Δq
b
、分别为电机期望轨迹的闭环补偿位置、电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿加速度，Δq
f
为电机期望轨迹的前馈位置修正量；步骤七：基于电机期望位置，电机期望速度和电机期望加速度设计电机的控制律u，并利用控制律u完成机械臂关节的阻抗控制。2.根据权利要求1所述的一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法，其特征在于所述动力学力矩表示为：其中，τ
dyn
为机械臂关节运动的动力学力矩，为估计的关节负载惯量，为估计的关节摩擦系数，为估计的关节受到的重力矩，为估计的关节实际加速度，为估计的关节实际速度。3.根据权利要求2所述的一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法，其特征在于所述关节工作过程中受到的外部力矩表示为：其中，为关节工作过程中受到的外部力矩，τ
s
为关节力矩传感器测量值。4.根据权利要求3所述的一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法，其特征在于所述关节阻抗控制的关节阻抗力矩表示为：
其中，τ
imp
为关节阻抗力矩，为实现关节期望阻抗特性的关节加速度，q
d
、和分别为规划的关节期望位置、关节期望速度和关节期望加速度，为估计的关节实际位置。5.根据权利要求4所述的一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法，其特征在于所述电机期望轨迹的闭环补偿加速度、电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿位置分别表示为：偿位置分别表示为：偿位置分别表示为：其中，Δq
b
、分别为电机期望轨迹的闭环补偿位置、电机期望轨迹的闭环补偿速度和电机期望轨迹的闭环补偿加速度，K
m
和K
b
分别为惯性增益参数和阻尼增益参数，dt为时间变量的微分符号。6.根据权利要求5所述的一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法，其特征在于所述电机期望轨迹的前馈位置修正量Δq
f
表示为：其中，为关节刚度的估计值。7.根据权利要求6所述的一种轻型协作机械臂关节的阻抗控制方法，其特征在于所述电机的控制律u，表示为：其中，为电机惯量的估计值，K
p
和K
d
分别为比例增益参数和微分增益参数，为估计的电机粘滞摩擦系数，为估计的电机库伦摩擦系数，q
m
为电...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨国财，韩旭，史士财，王琪，纪军红，曲希蕾，刘宏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：