[發(fā)明專利]一種基于擴張狀態(tài)觀測器的多指靈巧手導納控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110754392.0
• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113319856A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設計）人: 戰(zhàn)強;田新?lián)P
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 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(fā)明公開了一種基于擴張狀態(tài)觀測器的多指靈巧手導納控制方法，具體包括：將靈巧手連桿動力學和摩擦部分視為干擾，在靈巧手自由運動狀態(tài)下，使用擴張狀態(tài)觀測器對干擾實時估計，進而建立靈巧手干擾模型查詢表，得出靈巧手自由狀態(tài)下不同速度和角度所對應的干擾力矩；對比靈巧手抓取物體時與自由運動時的干擾力矩差值，計算對應接觸力矩；通過導納控制動態(tài)調(diào)節(jié)力和位置動態(tài)關系，實現(xiàn)靈巧手穩(wěn)定抓取物體。本發(fā)明提出的基于擴張狀態(tài)觀測器的多指靈巧手導納控制方法無需力/傳感器即可實現(xiàn)對外部接觸力的精準檢測，實時性好、靈敏度高、極大地降低了靈巧手的制造周期和成本。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及機器人控制技術(shù)領域，更具體地，涉及一種基于擴張狀態(tài)觀測器的多指靈巧手導納控制方法。

背景技術(shù)

目前應用于靈巧手的柔順控制方法主要有力/位混合控制和阻抗控制。

力/位混合控制方法將位置和力的控制劃分在不同的子空間，當靈巧手不與環(huán)境接觸時，進行位置伺服控制；而當靈巧手與環(huán)境接觸時，則切換到力控制模式。這種控制方式只能單獨控制運動或控制力。然而，這種方法忽略了機器人與環(huán)境之間的動態(tài)耦合關系，因此無法準確的控制位置或力。

阻抗控制由力/位混合控制改進而來，其核心是調(diào)整被控對象的機械阻抗以得到期望的阻抗特性，進而建立被控對象位置和所受外力之間的動態(tài)關系。根據(jù)阻抗控制器的因果關系，可將其具體分為基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制。基于力的阻抗控制，即阻抗控制。在阻抗控制中，控制器被設計為機械阻抗，其輸入為位置信號，輸出為力信號，此時被控對象接收控制器力信號的輸入，輸出位置。相反地，基于力的阻抗控制，即導納控制。在導納控制中，控制器被設計為機械導納，其輸入為力信號，輸出為位置信號，此時被控對象接收控制器位置信號的輸入，輸出力。

不管是力/位混合控制還是阻抗控制，都需要對抓取力進行精確的檢測。然而，目前幾乎所有的靈巧手均采用指尖力傳感器、關節(jié)力/力矩傳感器實現(xiàn)抓取力和關節(jié)力的測量，增加了設計復雜度和制造成本。使用電機電流直接估計抓取力是一種低成本的力檢測手段，但采集到的電流信號通常為關節(jié)摩擦力、動力學參數(shù)、外部接觸力的集合，因此如何將只與抓取力有關的電流信號分離出來是目前亟需解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有靈巧手力檢測過程存在機構(gòu)設計復雜、制造成本高的問題，提供一種基于擴張狀態(tài)觀測器的抓取力估計方法，進而使用導納控制方法實現(xiàn)靈巧手的柔順操作，從而實現(xiàn)無力傳感器情況下靈巧手對物體的穩(wěn)定抓取。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述問題：

一種基于擴張狀態(tài)觀測器的導納控制方法，包括以下步驟：

步驟1：將靈巧手連桿動力學和摩擦部分視為干擾，在靈巧手自由運動狀態(tài)下，使用擴張狀態(tài)觀測器對干擾實時估計，進而建立靈巧手干擾模型查詢表，得出靈巧手自由狀態(tài)下不同速度和角度所對應的干擾力矩；

步驟2：對比靈巧手抓取物體時與自由運動時的干擾力矩差值，計算對應抓取力矩；

步驟3：通過導納控制器動態(tài)調(diào)節(jié)力和位置動態(tài)關系，實現(xiàn)靈巧手穩(wěn)定抓取物體。

進一步地，所述步驟1包括：

1.1建立直流有刷電機的電樞回路的電壓平衡方程，其表達式為：

其中，u_a和E分別為電樞電壓及反電動勢；L_a和R_a分別為電樞電路電阻及電感；I_a為電機電樞電流；C_e為反電動勢常數(shù)；w為電機角速度。

1.2建立直流電機轉(zhuǎn)矩平衡方程，其表達為為：