[發明專利]一種SCARA機器人關節力矩的卡爾曼估計方法

有效

• 申請號: 201710725626.2
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107351086B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 張鐵;梁驍翃
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

本發明公開了了一種SCARA機器人關節力矩的卡爾曼估計方法，包括以下步驟：步驟1：獲得各關節的連續非線性力矩表達式；步驟2：利用多元函數的一階泰勒展開公式得到遞推的線性離散關節力矩表達式；步驟3：以線性離散化后的各關節力矩表達式為過程方程，并添加相應的量測方程，將過程方程和量測方程組合整理為各關節力矩的離散時間狀態空間模型；步驟4：按照基本卡爾曼濾波方法，結合關節力矩的離散時間狀態空間模型，確定一個步進循環中需要用到的公式，利用讀取到的關節電機電流信號和電機編碼器信號實時估計SCARA機器人的關節力矩。本發明在不使用傳感器的情況下提高了關節力矩估計的精度，從而為機器人控制算法提供可靠的信息。

技術領域

本發明涉及SCARA機器人關節力矩估計方法,特別是一種針對不使用力矩傳感器情況下，以帶噪聲的電機電流信號為基本信息，基于卡爾曼濾波方法的提高關節力矩估計精度的方法。

背景技術

SCARA機器人高速、高精度特性的實現依賴于有效的控制算法，而控制算法對關節力矩等控制信息的精確度有較高的要求。目前，關節力矩有兩種常用的獲取方式，通過力矩傳感器獲取或通過關節電機電流換算。

1)通過力矩傳感器獲取關節力矩。該方法的主要問題在于成本高以及安裝維護困難。尤其是對于一些成品機器人，若其設計階段并未考慮在關節處加裝傳感器，則其安裝空間可能并不足夠，同時也可能不具備相應的電氣接口。

2)通過關節電機電流換算關節力矩。該方法的主要問題在于電流是模擬量，存在噪聲，換算得到的關節力矩波動較大。目前常用的方法是通過硬件濾波或軟件濾波對讀取到的數據進行處理。但一些濾波方法的實時性并不能得到保證，從而影響控制算法的實現。

發明內容

為了在不使用力矩傳感器的情況下提高SCARA機器人控制算法中所需關節力矩信息的精度，本發明提供一種針對SCARA機器人關節力矩的卡爾曼估計方法。其技術方案是：

一種SCARA機器人關節力矩的卡爾曼估計方法，包括以下步驟：

步驟1：根據牛頓歐拉方法建立SCARA機器人的動力學模型，獲得各關節的連續非線性力矩表達式；

步驟2：利用多元函數的一階泰勒展開公式將連續非線性的關節力矩表達式轉化為遞推的線性離散關節力矩表達式；

步驟3：以線性離散化后的各關節力矩表達式為過程方程，并添加相應的量測方程，將過程方程和量測方程組合整理為各關節力矩的離散時間狀態空間模型；

步驟4：按照基本卡爾曼濾波方法，結合關節力矩的離散時間狀態空間模型，確定一個步進循環中需要用到的公式，利用讀取到的關節電機電流信號和電機編碼器信號實時估計SCARA機器人的關節力矩。

進一步地，步驟1中，在建立SCARA機器人的動力學模型時，將所述SCARA機器人的第三關節和第四關節合并，形成組合連桿，組合后的關節類型為移動關節，從而使SCARA機器人的動力學模型包括第一關節、第二關節、第三關節。

進一步地，步驟1中，所述各關節的連續非線性力矩表達式為：