[發明專利]基于雙擴展卡爾曼濾波估計串聯粘彈性作動器力矩的方法

有效

• 申請號: 202010375248.1
• 申請日: 2020-05-07
• 公開（公告）號: CN111473899B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 龐牧野;陳海波;唐必偉;韋輝;向馗;朱國榮;胡琴
• 申請（專利權）人: 無錫智動力機器人有限公司
• 主分類號: G01L3/00
• 分類號: G01L3/00;G01B21/32
• 代理公司: 北京博智杰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11929
• 代理人: 尹春雷

基于雙擴展卡爾曼濾波估計串聯粘彈性作動器力矩的方法，屬于串聯粘彈性作動器技術領域。包括以下步驟：(1)基于粘彈性體的SVA力矩估計；(2)基于電機電流的SVA力矩估計；(3)基于雙擴展卡爾曼濾波的力矩融合：力矩融合過程包括兩個擴展卡爾曼濾波器，一個是狀態估計器EKF1，另一個是參數估計器EKF2，兩個估計器級聯運行；狀態估計器EKF1以步驟(1)的力矩估計結果為基礎估計力矩狀態，參數估計器EKF2以步驟(2)的力矩估計結果為基礎校正粘彈性體參數。本發明提供的方法，無需安裝力矩傳感器便可有效估計力矩，實現在任何情況下誤差均小于0.03N·m，增強系統的魯棒性。

技術領域

本發明屬于串聯粘彈性作動器技術領域，涉及一種估計串聯粘彈性作動器力矩的方法，具體涉及一種基于雙擴展卡爾曼濾波(DEKF)估計串聯粘彈性作動器力矩的方法。

背景技術

隨著工業4.0時代的到來，機器人產業得到了快速發展。各式各樣的機器人不斷涌現并服務于不同的行業，提升了生產的智能化程度，極大地促進了生產力發展。機器人代替人類完成許多重復和危險的工作，提高生產效率并降低工廠事故率的同時，也一定程度地解決了人口老齡化所帶來的勞動力短缺問題。隨著科技的進步，機器人在人類生產生活中將扮演著越來越重要的角色。工業機器人因其高速精確的定位能力，在噴漆、焊接等主要要求位置控制性能的任務中占據很大比重。但是，在一些接觸式作業中，例如人機交互、抓取柔軟物體、自動螺栓緊固、規避障礙物等，機器人與工件或環境難免發生接觸，如果其末端執行器與工件或環境接觸力太大，很可能給機器人和工件帶來損傷甚至破壞。服務機器人需要頻繁地與人交互，處理很多未知的接觸，因此對其交互的友好性和安全性提出了更高要求。只有具備了對力的精確感知能力，作動器才能為接觸后的決策和控制提供依據。因此力傳感在提高接觸式作業和人機交互安全性方面具有十分重要的作用。力矩傳感器作為一種高精度的力傳感方式，應用于許多高端的機器人領域。然而其昂貴的價格增加了機器人成本，自身的安裝體積也占用了額外的空間，因此其應用范圍受到一定限制。

串聯彈性作動器(Serial Elastic Actuator，SEA)通常以彈性體形變與力的對應關系估計負載力/力矩，從而避免使用昂貴的力/力矩傳感器。串聯粘彈性作動器(SerialViscoelastic Actuator，SVA)將彈性體替換為粘彈性體，在增強控制性能的同時，也使建立力/力矩估計模型更加困難，同時會引入各種復雜問題。

基于粘彈性體的力矩估計方法，基于Zenner本構方程建立力矩模型，在短期內使用誤差小于0.03N·m，然而在長期內使用存在諸多缺點，例如在溫度變化、馬林斯效應、自然老化等因素下，模型參數會發生不同程度的改變，致使模型誤差增大甚至失效。

基于電機電流的力矩估計方法，作為一種傳統且低成本的力矩估計方式，在一些力矩精度要求不高的場合得到一定程度應用，例如UR機器人的各種觸停和柔性示教。然而在主流機器人中，出于關節力矩的輸出要求，難以避免地引入減速器來提高力矩，而減速器力學特性復雜，導致系統摩擦力矩非線性強烈。減速器帶來復雜摩擦力矩，使系統精確動力學建模很困難，使得通過電機電流估計力矩的精度大大降低。在復雜運動狀態下，受各種因素影響，電流波動通常很大，也帶來力矩估計困難，使得這種方式在主流機器人領域并未得到廣泛應用。但是在較平穩的狀態下，基于電機電流的力矩估計方法也可以達到不錯的估計效果。

前述兩種力矩估計方法，前者在短期內比較穩定而在長期內缺點很大，后者在長期來看相對穩定但在短期內可能存在問題。現有技術中，基于上述兩種方法均不能獨立有效地估計SVA力矩。

發明內容