[發明專利]協作機器人關節力矩控制方法、系統及計算機設備

在審

• 申請號: 202111559025.1
• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114310874A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 王沖沖;楊桂林;陳慶盈;張拓璞;周杰;張馳
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州華進聯浙知識產權代理有限公司 33250
• 代理人: 雷志剛

1.一種協作機器人關節力矩控制方法，用于協作機器人的關節系統的力矩控制，其特征在于，包括以下步驟：

當參考力矩在經過內回路干擾補償器的系統干擾補償后，輸出關節電機的驅動力矩至關節后產生關節力矩，使經過補償后的關節系統的響應特征趨向于關節的名義力矩響應模型。

2.根據權利要求1所述的協作機器人關節力矩控制方法，其特征在于，所述協作機器人關節力矩控制方法還包括以下步驟：

分析關節的動力學特性，建立關節的動力學方程，關節的動力學方程的表達式如下：

其中，τ_m表示關節電機的驅動力矩，τ_j表示關節力矩，J_m表示換算到負載輸出端的等效電機慣量，θ_m表示為負載輸出端的電機位置，表示為θ_m的二階微分，K表示為剛度，τ_ext表為負載輸出端所受力矩，θ表示為電機端位置，θ_l表示為負載輸出端位置，J₁表示為負載慣量；

根據關節的動力學方程獲得關節的名義力矩響應模型，所述名義力矩響應模型P_n(s)的表達式如下：

其中，表示為在不考慮關節各部分阻尼的響應時，系統名義的反諧振；表示為在不考慮關節各部分阻尼的響應時，系統名義的諧振頻率；J_m，n表示為電機慣量的名義值；J_l，n表示為負載慣量的名義值；K_n表示為關節剛度的名義值。

3.根據權利要求2所述的協作機器人關節力矩控制方法，其特征在于，所述協作機器人關節力矩控制方法還包括以下步驟：

獲取實際關節力矩和名義模型輸出力矩計算兩者之間的力矩誤差；

根據關節動力學方程獲得力矩誤差的響應方程，力矩誤差e_r的響應方程的表達式如下：

其中，d表示為系統干擾，表示為力矩誤差e_r的二階微分。

4.根據權利要求2所述的協作機器人關節力矩控制方法，其特征在于，所述協作機器人關節力矩控制方法還包括以下步驟：

定義新的力矩誤差變量，力矩誤差變量p的表達式如下：

且λ＞0；

通過變量代換，將對力矩誤差e_r的控制轉換為對力矩誤差變量p的控制，變量代換后獲得如下表達式：

其中，表示為力矩誤差變量p的一階微分，表示為力矩誤差e_r的一階微分，τ_in表示為控制率，且τ_m＝τ_in+u，u表示為內回路參考力矩，d表示為系統干擾。

5.根據權利要求4所述的協作機器人關節力矩控制方法，其特征在于，所述協作機器人關節力矩控制方法還包括以下步驟：

對系統干擾的自適應在線估計得到的自適應率，的表達式如下：

其中，用于表示干擾的估計值，d_M和-d_M分別為系統干擾d的取值臨界點，且d∈[-d_M，d_M]；γ用于表示自適應率；

將力矩誤差e_r變量代換后的表達式引入控制率，得到力矩誤差變量p的動力學響應方程；

其中，控制率τ_in的表達式如下：

τ_in＝τ_s1+τ_s2

τ_s2＝k_s2(p)p

τ_s1表示為線性控制率，τ_s2表示為非線性控制率，k_s1表示為線性控制增益，k_s2(p)表示為非線性控制增益；

得到力矩誤差變量p的動力學響應方程的表達式如下：

其中，表示為系統干擾的估計誤差。