[發明專利]機器人關節力矩信號采集系統及方法

有效

• 申請號: 201810922053.7
• 申請日: 2018-08-14
• 公開（公告）號: CN110303521B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 張濤;薛濤;張萌
• 申請（專利權）人: 清華大學;上海博靈機器人科技有限責任公司
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00;G01L3/00
• 代理公司: 上海大視知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31314
• 代理人: 蔡沅

本發明涉及一種機器人關節力矩信號采集系統及方法，屬于機器人技術領域。其將測量干擾噪聲劃分為諧波機械傳動噪聲，工頻電磁干擾噪聲，以及傳感器測量誤差。設計自適應振蕩器對工頻干擾噪聲和諧波傳動噪聲進行數學建模，建立其建狀態轉移方程和觀測方程，對系統固有噪聲進行估計和分離。同時，針對基于動力學模型的力矩預測方法的不足，采用基于加權二次型回歸的力矩狀態預測算法，提升了狀態預測的準確性與快速性。利用卡爾曼濾波器對系統轉移方程和測量方程存在的不確定性噪聲予以濾除，并將測量力矩數據與預測數據進行融合，對系統固有的干擾噪聲幅值、相位和頻率以及真實的力矩輸出值進行無偏最優估計，實現力矩信號的去噪濾波。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，特別涉及機器人控制技術領域，具體是指一種機器人關節力矩信號采集系統及方法。

背景技術

機器人末端力矩傳感器用于檢測機械臂與所處環境的接觸力/力矩的大小和方向，并反饋給力控制系統，是機器人智能化的重要標志。機械臂末端力矩傳感器設計增強了人機交互能力，是可穿戴式康復/負重機器人、協作機器人以及柔性機械臂必不可少的測量元器件，既保障了機器人自身工作的安全性，同時也實現了人機之間的柔性接觸，確保了人機交互的安全性與舒適性。準確快速的輸出力矩反饋是實現機器人柔順控制，力控制必不可少的環節，同時也用以補償諧波傳動的高度非線性特性，將機器人關節等效為力矩源，提升控制系統的準確度與穩定性。機器人關節末端力傳感器設計擴展了機器人的適用范圍，近年來，在康復醫療機器人、服務機器人、空間機器人以及特種機器人等得到了廣泛的應用。

當前關節力矩輸出采集系統可分為基于電流檢測和基于力矩傳感器兩種框架。基于電機電流檢測方法通過機器人關節的輸入電流和電機模型估算出關節的力矩輸出，由于電機直接力矩輸出需要經過諧波減速機傳動到負載端，諧波減速機傳動裝置摩擦模型未知且高度非線性，并且電機數學模型存在誤差，導致無法準確感知末端的力矩輸出，并且存在力矩感知延遲大，靈敏度低等缺點；基于力矩傳感器的感知方法通過采集關節末端的力矩傳感器數值，并且進行一系列的濾波去噪處理來測量關節的力矩輸出，改善了力矩測量的快速性，然而由于力矩傳感器信號存在大量的測量噪聲、干擾噪聲以及電路系統引入的電磁干擾噪聲，傳統采用非模型低通濾波去噪的方法，會造成力矩測量信號精度降低、延遲增大的現象。

發明內容

本發明的目的是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種機器人關節力矩信號采集系統是基于力矩傳感器感知的方法，其依據噪聲特性對其進行數學建模，通過對噪聲的估計從而將其力矩信號中消除，這種基于噪聲模型的去噪濾波方法極大提升了濾波效率，明顯提升了力矩測量信號的準確性和快速性。本文中的方法設計自適應振蕩器對工頻干擾噪聲和諧波傳動噪聲進行建模，研究基于加權二次型回歸的力矩狀態預測算法，提升力矩輸出狀態預測的準確性與快速性，并以此建立系統的狀態轉移方程和觀測方程，利用卡爾曼濾波器對轉移方程和測量方程中存在的不確定性噪聲予以濾除，并將測量力矩數據與預測數據進行融合，實現對關節力矩輸出、機械干擾以及電磁干擾噪聲的最優無偏估計。

為了實現上述的目的，本發明的機器人關節力矩信號采集系統具有如下構成：

力矩傳感器，設置于機器人關節輸出末端，用于測量關節的輸出力矩，產生力矩傳感器測量信號；

下位機控制器，連接所述的力矩傳感器，用于獲取所述的力矩傳感器測量信號；

通信板卡，包括中斷控制器，連接所述的下位機控制器，用以控制所述的下位機控制器執行信號采集中斷函數以獲取所述的力矩傳感器測量信號，并從所述的下位機控制器獲取所述的力矩傳感器測量信號；

上位機，根據從所述的通信板卡獲取的力矩測量信息產生力矩輸出值。

該機器人關節力矩信號采集系統中，所述的上位機包括卡爾曼濾波器，用以消除所述的力矩測量信息中的噪聲。

該機器人關節力矩信號采集系統中，所述的力矩傳感器測量信號τ_sensor如下式所示：