[發明專利]一種液壓機械臂末端力軟測量方法

有效

• 申請號: 202111246682.0
• 申請日: 2021-10-26
• 公開（公告）號: CN113977578B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 丁孺琦;木學山;程敏;李剛;胡國良
• 申請（專利權）人: 華東交通大學;重慶大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

1.一種液壓機械臂末端力軟測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，建立液壓機械臂動力學模型，并將動力學模型線性化處理，建立機械臂最小慣性參數集及其對應的回歸矩陣的線性模型；

步驟2，利用有限傅里葉級數設計激勵軌跡，以步驟1的回歸矩陣條件數最小為目標，求解有限傅里葉級數系數，生成激勵軌跡；

步驟3，機械臂在無負載條件下，運行一次激勵軌跡，采集液壓缸兩腔壓力傳感器數值，并通過液壓缸兩腔壓力計算液壓驅動力矩τ；將各時刻的關節角度、角速度、角加速度帶入回歸矩陣Y中，并合并成一個總矩陣；

步驟4，根據步驟3得到的液壓驅動力矩τ和回歸矩陣Y計算機械臂動力學參數；

步驟5，基于步驟3，計算實際液壓驅動力矩τ_i為：

τ_i＝(P_aiA_ai-P_biA_bi)*r_i

其中，i是關節序號，P_ai，P_bi為液壓缸無桿腔和有桿腔壓力，由壓力傳感器測得，A_ai，A_bi為液壓缸無桿腔和有桿腔面積，r_i為液壓缸有效力臂；并將步驟4中所得的動力學參數，帶入到步驟1的線性模型中，計算末端力大小；

其中，F為機械臂末端力；是機械臂雅克比矩陣的轉置，表示回歸矩陣，L∈R^p×1表示最小慣性參數集，p表示最小參數集內元素數目，n表示機械臂自由度。

2.根據權利要求1所述的一種液壓機械臂末端力軟測量方法，其特征在于，步驟1中所述的機械臂動力學模型具體如下：

其中，q為機械臂關節角度，q∈R^n×1，為關節角速度，為關節角加速度，n表示機械臂自由度，τ為液壓驅動力矩，M(q)為機械臂慣量矩，為機械臂科氏向心力矩，G(q)為機械臂重力矩，為摩擦力矩，包括庫倫摩擦和粘滯摩擦；各關節角度由角度編碼器得出，角速度、角加速的由關節角度經一次和二次離線微分得到，由于微分后數據白噪聲較高，故設計離線IIR數字濾波器進行濾波處理。

3.根據權利要求1所述的一種液壓機械臂末端力軟測量方法，其特征在于，步驟1中機械臂最小慣性參數集對應的回歸矩陣的線性模型具體如下：

其中，表示回歸矩陣，L∈R^p×1表示最小慣性參數集，p表示最小參數集內元素數目，τ為液壓驅動力矩。

4.根據權利要求1所述的一種液壓機械臂末端力軟測量方法，其特征在于，步驟2中所述的有限傅里葉級數表達式如下：

對于第i個關節，正弦項和余弦項的數目均為N，t表示激勵軌跡的運行時間，ω_f＝2πf_f為基頻，f_f＝1/t，a_l，i、b_l，i、q_i0為待求傅里葉系數，用含約束條件的多元函數求最優的方法求解；為了保證機器人平穩且在能夠到達的安全范圍之內運行，約束條件如下：

其中，cond_min(Y)表示以回歸矩陣Y的條件數最小為優化目標，q(t)表示t時刻的機械臂關節角度；q₀為機械臂初始關節角，當一個周期結束時，t＝t_f，t_f表示終止時刻，機械臂回到機械臂初始關節角q₀，從而能夠連續執行下一周期，初始t＝0和結束t＝t_f的速度和加速度設為0，有效避免沖擊；q_min、q_max、分別為機械臂運動時角度、角速度和角加速度的最小值和最大值；通過限定角度、角速度、角加速度上下限，保證機械臂在安全的范圍內運動。

5.根據權利要求1所述的一種液壓機械臂末端力軟測量方法，其特征在于，步驟3中所述的回歸矩陣Y合并的矩陣，是先計算出各個時刻下的回歸矩陣Y_k，k為時間間隔點數，再將所有回歸矩陣Y_k合并成一個總矩陣Y：

6.根據權利要求1所述的一種液壓機械臂末端力軟測量方法，其特征在于，步驟4中所述的動力學參數求解如下，求解之后得到最小慣性參數集L：

L＝(Y^TY)^-1Y^Tτ。