[發(fā)明專利]協(xié)作機器人關(guān)節(jié)力矩控制方法、系統(tǒng)及計算機設(shè)備

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111559025.1
• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114310874A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王沖沖;楊桂林;陳慶盈;張拓璞;周杰;張馳
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院寧波材料技術(shù)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(lián)浙知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33250
• 代理人: 雷志剛

本申請涉及一種協(xié)作機器人關(guān)節(jié)力矩控制方法、系統(tǒng)及計算機設(shè)備，當參考力矩在經(jīng)過內(nèi)回路干擾補償器的系統(tǒng)干擾補償后，輸出關(guān)節(jié)電機的驅(qū)動力矩至關(guān)節(jié)后產(chǎn)生關(guān)節(jié)力矩，使經(jīng)過補償后的關(guān)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)特征趨向于關(guān)節(jié)的名義力矩響應(yīng)模型。通過內(nèi)回路干擾補償器對系統(tǒng)干擾補償，提升了關(guān)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)特征，使經(jīng)過補償后的關(guān)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)特征趨向于關(guān)節(jié)的名義力矩響應(yīng)模型，此時，關(guān)節(jié)力矩的控制精度和關(guān)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了明顯的提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及機器人控制領(lǐng)域，特別是涉及協(xié)作機器人關(guān)節(jié)力矩控制方法、系統(tǒng)及計算機設(shè)備。

背景技術(shù)

協(xié)作機器人關(guān)節(jié)通常采用重量輕、高傳動比的諧波減速器以實現(xiàn)輕量化設(shè)計，提高本質(zhì)安全性；同時，集成關(guān)節(jié)力矩傳感器提高對外力的感知能力。為了實現(xiàn)柔順的人機交互，協(xié)作機器人關(guān)節(jié)的力矩控制至關(guān)重要。通常情況下，協(xié)作機器人采用反饋控制的方法實現(xiàn)關(guān)節(jié)的力矩控制，控制框圖如圖1所示。其中τ_d為期望的關(guān)節(jié)力矩，τ_e為期望的關(guān)節(jié)力矩和實際關(guān)節(jié)力矩之間的偏差，τ_m表示關(guān)節(jié)電機的驅(qū)動力矩，τ_j表示關(guān)節(jié)力矩，n表示關(guān)節(jié)力矩傳感器的測量噪聲，d為關(guān)節(jié)受到的干擾。協(xié)作機器人的關(guān)節(jié)力矩控制器常采用簡單的比例微分(PD)控制，由于非線性摩擦以及諧波減速器非線性變化的剛度、效率和傳遞誤差等因素的影響，關(guān)節(jié)力矩的控制精度和關(guān)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以提高。

發(fā)明內(nèi)容

本申請實施例提供了一種協(xié)作機器人關(guān)節(jié)力矩控制方法、系統(tǒng)及計算機設(shè)備，以至少解決相關(guān)技術(shù)中關(guān)節(jié)力矩的控制精度和關(guān)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以提高的問題。

第一方面，本申請實施例提供了一種協(xié)作機器人關(guān)節(jié)力矩控制方法，用于協(xié)作機器人的關(guān)節(jié)系統(tǒng)的力矩控制，包括以下步驟：

當參考力矩在經(jīng)過內(nèi)回路干擾補償器的系統(tǒng)干擾補償后，輸出關(guān)節(jié)電機的驅(qū)動力矩至關(guān)節(jié)后產(chǎn)生關(guān)節(jié)力矩，使經(jīng)過補償后的關(guān)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)特征趨向于關(guān)節(jié)的名義力矩響應(yīng)模型。

在其中一些實施例中，所述協(xié)作機器人關(guān)節(jié)力矩控制方法包括以下步驟：

分析關(guān)節(jié)的動力學特性，建立關(guān)節(jié)的動力學方程，關(guān)節(jié)的動力學方程的表達式如下：

其中，τ_m表示關(guān)節(jié)電機的驅(qū)動力矩，τ_j表示關(guān)節(jié)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(jù)關(guān)節(jié)的動力學方程獲得關(guān)節(jié)的名義力矩響應(yīng)模型，所述名義力矩響應(yīng)模型P_n(s)的表達式如下：

其中，表示為在不考慮關(guān)節(jié)各部分阻尼的響應(yīng)時，系統(tǒng)名義的反諧振；表示為在不考慮關(guān)節(jié)各部分阻尼的響應(yīng)時，系統(tǒng)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(guān)節(jié)剛度的名義值。

在其中一些實施例中，所述協(xié)作機器人關(guān)節(jié)力矩控制方法還包括以下步驟：

獲取實際關(guān)節(jié)力矩和名義模型輸出力矩計算兩者之間的力矩誤差；

根據(jù)關(guān)節(jié)動力學方程獲得力矩誤差的響應(yīng)方程，力矩誤差e_r的響應(yīng)方程的表達式如下：

其中，d表示為系統(tǒng)干擾，表示為力矩誤差e_r的二階微分。