[發明專利]一種仿人柔性手臂系統穩定性控制方法

有效

• 申請號: 202010019152.1
• 申請日: 2020-01-08
• 公開（公告）號: CN111168677B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 杜欽君;宋傳明
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種仿人柔性手臂系統穩定性控制方法，采用基于虛擬阻尼、慣量參數的控制方法，屬于仿人柔性手臂控制領域。所述方法包括：針對柔性關節因柔性元件的引入造成系統阻尼減小從而使系統穩定性降低的問題，采用引入虛擬阻尼、慣量參數的方法，建立了基于虛擬阻尼、慣量的柔性關節模型，構建引入虛擬阻尼、慣量參數的控制方程，為柔性關節系統增加虛擬慣量和阻尼特性，以提高系統阻尼比，提高系統穩定性。本發明方法通過引入虛擬阻尼、慣量參數的方法，在不增加額外硬件結構和復雜算法的前提下，增大了柔性關節系統阻尼比，提高了仿人柔性手臂系統穩定性，提高了仿人柔性手臂的適應性和實用性。

技術領域

本發明涉及仿人柔性手臂控制領域，具體提供一種仿人柔性手臂系統穩定性控制方法。

背景技術

隨著機器人在工業現場、服務行業、航空航天等領域的應用不斷擴大，對機器人系統的控制要求越來越高。仿人柔性手臂相較于剛性關節機械臂能夠更好地模仿人類手臂的“柔順性”，可以更好的執行無預設環境的接觸性任務。然而，低剛度特性的柔性元件的引入，使仿人柔性手臂系統阻尼明顯降低，導致系統穩定性變差，難以達到期望的控制要求，嚴重的可能導致機械臂失控，造成機械臂損壞或破壞應用現場環境等問題。現有的仿人柔性手臂穩定性控制方法分為被動控制和主動控制，被動控制通常采用改變柔性關節硬件結構以加大關節機械阻尼的方式提高關節系統穩定性，主動控制方法通過增加各類復雜的軌跡跟蹤算法，使柔性臂工作在平衡位置附近，來近似認為增加了柔性手臂系統穩定性。而這兩類傳統的控制方法勢必會面臨關節硬件結構設計復雜、關節結構重量增加等問題，以及控制器算法實現難度增大、系統響應時間延長等問題，均難以較好的實現提高仿人柔性手臂系統穩定性的目的。

發明內容

本發明的目的是提出一種有效應對仿人柔性手臂穩定性較差的問題的方法，主要解決含有柔性元件的仿人柔性手臂系統的穩定性控制問題。本發明基于虛擬阻尼、慣量的仿人柔性手臂穩定性控制方法，在不引入額外硬件結構的基礎上，有效增加了柔性關節系統的阻尼比，縮短了關節受擾動后恢復穩定的時間，提高了關節系統穩定性；且虛擬阻尼、慣量參數的取值不受硬件限制，易于調整、實現。其技術內容包括：

一種仿人柔性手臂系統穩定性控制方法，采用調整虛擬阻尼、慣量參數的方法提高仿人柔性手臂系統的穩定性，其特征在于：

采用調整虛擬阻尼、慣量參數的方法提高仿人柔性手臂系統穩定性的控制方程為：

其中，J^*、D^*分別為引入的虛擬慣量參數與虛擬阻尼參數；T_ref為額定輸出轉矩，實際控制中與負載轉矩相等；T_e為驅動電機瞬時電磁轉矩，nT_e為電機經減速器后輸出到扭轉彈簧的等效電磁轉矩，n為減速器減速比；為連桿轉速；為驅動電機經減速器后輸出的轉速；D^*為虛擬阻尼參數，J^*為慣量其中J^*與系統動態響應速度成反比，D^*與系統振蕩衰減速度成正比，理論上虛擬參數滿足全范圍取值，可根據系統期望狀態調節虛擬參數的取值，實際應用中受直流測電源性能約束；

引入虛擬阻尼、慣量參數后，柔性關節二階微分模型的一般形式為：

其中，D為柔性關節總阻尼，表示為D＝D₁+D^*，D₁為關節固有阻尼；M為柔性關節總轉動慣量，表示為M＝I₁+I_j1+J^*，I₁為連桿轉動慣量，I_j1為關節固有轉動慣量；J為電機轉子經減速器后的輸出慣量；θ為電機經減速器后轉動角度；為電機經減速器后角加速度；q為連桿轉動角度；為連桿轉動角速度；τ_m為電機輸出力矩；k為彈簧缸扭轉彈簧鋼度系數；m為手臂連桿質量；g為重力加速度系數，取9.8N/kg；l為手臂連桿長度。