[發(fā)明專利]一種異構(gòu)伺服的力反饋估計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111380807.9
• 申請(qǐng)日: 2021-11-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114029954B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邢伯陽(yáng);劉宇飛;王志瑞;梁振杰;趙建新;邱天奇;蘇波;江磊;李冀川
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)北方車輛研究所;智能移動(dòng)機(jī)器人（中山）研究院
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司專利中心 11011
• 代理人: 王曉娜

本發(fā)明涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域，公開(kāi)一種異構(gòu)伺服執(zhí)行器的力反饋估計(jì)方法。本發(fā)明首先針對(duì)不同類型的異構(gòu)伺服執(zhí)行器對(duì)其原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波；構(gòu)建力伺服執(zhí)行器的線性估計(jì)模型，采集真實(shí)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)上述模型中系數(shù)進(jìn)行擬合求解最優(yōu)化的模型系數(shù)；構(gòu)建位置/速度執(zhí)行器的非線性估計(jì)模型，采集真實(shí)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)上述模型中系數(shù)進(jìn)行擬合求解最優(yōu)化的模型系數(shù)；在得到模型系數(shù)后，向模型中分別輸入采集的位置、速度和電流測(cè)量值，在線估計(jì)得到估計(jì)結(jié)果；基于虛功原理和雅克比矩陣計(jì)算當(dāng)前扭矩估計(jì)結(jié)果對(duì)應(yīng)的力。本發(fā)明解決了異構(gòu)執(zhí)行器力反饋在線估計(jì)的問(wèn)題，并提高了執(zhí)行器機(jī)構(gòu)存在磨損、靜摩擦和接觸抖動(dòng)時(shí)力反饋測(cè)量的魯棒性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體是一種機(jī)器人狀態(tài)估計(jì)方法。

背景技術(shù)

機(jī)器人伺服力控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)、高精度閉環(huán)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)力前饋控制通過(guò)將期望力以虛功理論和雅克比動(dòng)力學(xué)模型向關(guān)節(jié)執(zhí)行器進(jìn)行映射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)期望力的前饋輸出，而在實(shí)際機(jī)器人控制系統(tǒng)中由于存在摩擦、接觸抖動(dòng)、力矩映射模型參數(shù)攝動(dòng)等問(wèn)題，僅采用前饋輸出難以保證精度和魯棒性，因此目前主要通過(guò)引入力反饋的控制方法來(lái)提高力跟蹤精度、降低輸出噪聲，傳統(tǒng)在線力估計(jì)需要執(zhí)行器為力伺服即能直接或間接測(cè)量當(dāng)前力矩，但對(duì)于位置、速度等執(zhí)行器來(lái)說(shuō)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)外部力矩傳感器下的力估計(jì)，因此為對(duì)異構(gòu)執(zhí)行器的力在線估計(jì)，需要提出一種新的力反饋估計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種異構(gòu)伺服執(zhí)行器的力反饋估計(jì)方法，其用于仿生機(jī)器人支撐相力控中的力反饋控制需求，同時(shí)面向位置、速度和力異構(gòu)執(zhí)行器類型實(shí)現(xiàn)當(dāng)前力的擬合和估計(jì)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明構(gòu)建多通道力反饋估計(jì)模型(圖1)，面向力控制伺服采用其位置、速度和力矩測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比例加強(qiáng)融合實(shí)現(xiàn)反饋估計(jì)，對(duì)于位置、速度執(zhí)行器由于其無(wú)法精確獲取當(dāng)前力矩測(cè)量值，因此基于離線力矩傳感器擬合標(biāo)定的方式，采用辨識(shí)算法構(gòu)建位置、速度與力反饋間的映射模型，獲取執(zhí)行器的虛擬力矩，最終基于虛功原理實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前執(zhí)行器力反饋的在線估計(jì)，并進(jìn)一步用于力伺服控制回路中，本發(fā)明方法的主要流程步驟(圖2)如下：

步驟1，針對(duì)不同類型的異構(gòu)伺服執(zhí)行器對(duì)其原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，所述的原始測(cè)量數(shù)據(jù)包括位置、速度和電流測(cè)量值；

步驟2，構(gòu)建力伺服執(zhí)行器的線性估計(jì)模型，采集真實(shí)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)上述模型中系數(shù)進(jìn)行擬合求解最優(yōu)化的模型系數(shù)；

步驟3，構(gòu)建位置/速度執(zhí)行器的非線性估計(jì)模型，采集真實(shí)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)上述模型中系數(shù)進(jìn)行擬合求解最優(yōu)化的模型系數(shù)；

步驟4，在得到模型系數(shù)后，向力伺服反饋線性估計(jì)模型、位置/速度伺服執(zhí)行器扭矩估計(jì)模型中分別輸入采集的位置、速度和電流測(cè)量值，在線估計(jì)得到執(zhí)行器電流測(cè)量值轉(zhuǎn)換扭矩估計(jì)結(jié)果以及位置/速度測(cè)量值轉(zhuǎn)換扭矩估計(jì)結(jié)果

步驟5，基于虛功原理和雅克比矩陣計(jì)算當(dāng)前扭矩估計(jì)結(jié)果對(duì)應(yīng)的力F_est：

其中J為雅克比矩陣。

進(jìn)一步地，所述步驟1中，

對(duì)于位置測(cè)量值，采用微分跟蹤濾波器對(duì)位置測(cè)量值進(jìn)行濾波，計(jì)算輸入角度q的角速度增量Δq；

對(duì)于速度增量，采用低通濾波器對(duì)速度增量進(jìn)行濾波得到然后對(duì)濾波后的進(jìn)行積分獲得積分角度估計(jì)值：

最后，對(duì)積分角度估計(jì)值進(jìn)行單圈復(fù)位和限幅處理，即當(dāng)角度超過(guò)0°和360°后做零點(diǎn)補(bǔ)償處理：

其中q_base為單圈復(fù)位基準(zhǔn)；

對(duì)于速度與電流測(cè)量值僅采用低通濾波器進(jìn)行處理。