CN109333533A - 一种基于液压驱动的人机接触力控制方法及装置 - Google Patents

一种基于液压驱动的人机接触力控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于液压驱动的人机接触力控制方法及装置，属于液压驱动技术领域，解决了现有穿戴式液压机器人关节与人之间的接触力难于快速跟踪控制的问题。该方法步骤如下：根据最大接触力及液压油缸的接触力传感器反馈值，得到接触力跟踪误差；修正所述接触力跟踪误差，得到液压油缸压力给定；根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到单向齿轮泵的电机转速给定；根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速；利用所述单向齿轮泵的电机转速控制所述单向齿轮泵的转动，调节液压油缸的液面位置。实现了穿戴式液压机器人关节与人之间接触力的快速跟踪控制，有效提升了机器人助力效果。

Description

一种基于液压驱动的人机接触力控制方法及装置
技术领域
本发明涉及液压驱动技术领域，尤其涉及一种基于液压驱动的人机接触力控制方法及装置。
背景技术
由液压驱动的人机系统在协同运动时，传统的控制方法，多是通过多个传感器来感知人体关节的运动趋势，进而控制机器人跟踪人体的运动趋势，这种方法的缺点是开环控制，人机运动幅度和强度可能不一致，人机交互接触力无法精确控制，导致机器人助力效果差，人体“阻滞感”强。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于液压驱动的人机接触力控制方法及装置，用以解决穿戴式液压机器人关节与人之间的接触力难于快速跟踪控制的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
在本发明的一个实施例中，提供了一种基于液压驱动的人机接触力控制方法，其特征在于，步骤如下：
根据最大接触力及液压油缸的接触力传感器反馈值，得到接触力跟踪误差；
修正所述接触力跟踪误差，得到液压油缸压力给定；
根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到单向齿轮泵的电机转速给定；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速；
利用所述单向齿轮泵的电机转速控制所述单向齿轮泵的转动，调节液压油缸的液面位置。
本发明有益效果如下：利用“反馈+前馈”的控制模式，有效提高了系统的响应速度；将接触力的控制最终转换为对液压泵电机的控制，能够有效提升控制精度。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述电机前馈补偿n2(k)为：
其中，A为液压油缸活塞面积，V为液压油缸移动速度，Qyg为液压油缸泄露流量，q为单向齿轮泵排量，η为单向齿轮泵总效率，k为采样序号。
采用上述进一步方案的有益效果是：为系统的前馈控制提供了精确的控制模型。
进一步，所述根据最大接触力及液压油缸的接触力传感器反馈值，得到接触力跟踪误差e(k)，具体执行以下步骤：
e(k)＝Fmax(k)-Ff(k) (2)
其中，Ff(k)为液压油缸的接触力传感器反馈值，Fmax(k)为最大接触力。
进一步，所述修正所述接触力跟踪误差，得到液压油缸压力给定包括：
利用式判断所述接触力误差e(k)与0的关系，得到修正后的接触力跟踪误差e1(k)；
通过第一控制器输出所述液压油缸压力给定u1(k)：
其中kp1为第一控制器的比例系数，ki1为第一控制器的积分系数，kd1为第一控制器的微分系数，T为采样时间，e1(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差。
进一步，所述根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到电机转速给定包括：
利用式e2(k)＝u1(k)-Pl(k)得到压力跟踪误差e2(k)，其中，Pl(k)为液压油缸反馈压力；
通过第二控制器输出所述电机转速给定u2(k)：
其中，kp2为第二控制器的比例系数，ki2为第二控制器的积分系数，kd2为第二控制器的微分系数；e2(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速包括：
n(k)＝n1(k)+n2(k) (5)。
采用上述进一步方案的有益效果是：用较为简单的反馈和前馈控制器来实现了系统的快速跟踪控制；只需控制最大接触力而非精确接触力。
在本发明的另一实施例中，提供了一种基于上述方法设计的控制装置，所述装置包括第一控制器、第二控制器、前馈控制器、单向齿轮泵、液压油缸；
所述第一控制器，用于根据最大接触力及采集的液压油缸接触力反馈值得到液压油缸压力给定；
所述第二控制器，用于根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到单向齿轮泵的电机转速给定；
所述前馈控制器，用于根据液压油缸当前状态得到电机前馈补偿；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速；利用所述单向齿轮泵的电机转速控制所述单向齿轮泵的转动，调节液压油缸的液面位置。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述前馈控制器执行以下过程得到电机前馈补偿n2(k)：
其中，A为液压油缸活塞面积，V为液压油缸移动速度，Qyg为液压油缸泄露流量，q为单向齿轮泵排量，η为单向齿轮泵总效率，k为采样序号。
进一步，所述装置还包括第一减法器，用于根据最大接触力及采集的液压油缸接触力反馈值得到接触力跟踪误差e(k)，具体执行以下过程：
e(k)＝Fmax(k)-Ff(k) (7)
其中，Ff(k)为液压油缸的接触力传感器反馈值，Fmax(k)为最大接触力。
进一步，所述第一控制器执行以下过程得到液压油缸压力给定u1(k)：
其中kp1为第一控制器的比例系数，ki1为第一控制器的积分系数，kd1为第一控制器的微分系数，T为采样时间，e1(k)为修正后的接触力跟踪误差，e1(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差。
进一步，所述装置还包括第二减法器，用于根据液压油缸压力给定和液压油缸反馈压力得到压力跟踪误差e2(k)：
e2(k)＝u1(k)-Pl(k) (9)
其中，Pl(k)为液压油缸反馈压力；
所述第二控制器执行以下过程得到电机转速给定u2(k)：
其中，kp2为第二控制器的比例系数，ki2为第二控制器的积分系数，kd2为第二控制器的微分系数；e2(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速包括：
n(k)＝n1(k)+n2(k) (11)。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中基于液压驱动的人机接触力控制方法流程图；
图2为本发明实施例中基于液压驱动的人机接触力控制装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种基于液压驱动的人机接触力控制方法，本发明所述的人机接触力是指穿戴式液压机器人关节与人之间的接触力，流程图如图1所示，步骤如下：
步骤S1：根据最大接触力及液压油缸的接触力传感器反馈值，得到接触力跟踪误差e(k)：
e(k)＝Fmax(k)-Ff(k) (1)
其中，Ff(k)为液压油缸的接触力传感器反馈值，具体指穿戴式液压机器人关节推动人体运动，人体与机器人关节接触点上布置的接触力传感器得到的反馈值；Fmax(k)为最大接触力，根据实际控制要求设置。
步骤S2：修正所述接触力跟踪误差，得到液压油缸压力给定；
利用式判断所述接触力误差e(k)与0的关系，得到修正后的接触力跟踪误差e1(k)；
通过第一控制器输出所述液压油缸压力给定u1(k)：
其中kp1为第一控制器的比例系数，ki1为第一控制器的积分系数，kd1为第一控制器的微分系数，T为采样时间，e1(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差。
当液压油缸的接触力传感器反馈值大于最大接触力时，二者误差经过第一控制器放大，使得到液压油缸无杆腔压力给定增加，在油缸接触负载一定的情况下，减小了人机接触力，有效提高了控制效率。
步骤S3：根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到单向齿轮泵的电机转速给定；
利用式e2(k)＝u1(k)-Pl(k)得到压力跟踪误差e2(k)，其中，Pl(k)为液压油缸反馈压力，采集位置位于液压油缸的无杆腔回路，通过压力传感器采集得到；
通过第二控制器输出所述电机转速给定u2(k)：
其中，kp2为第二控制器的比例系数，ki2为第二控制器的积分系数，kd2为第二控制器的微分系数；e2(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差。
步骤S4：根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速；
所述电机前馈补偿n2(k)为：
其中，A为液压油缸活塞面积，V为液压油缸移动速度，Qyg为液压油缸泄露流量，q为单向齿轮泵排量，η为单向齿轮泵总效率，此处的总效率具体指齿轮泵的机械效率和容积效率总和，k为采样序号。
根据液压回路的流量连续性方程得到这个公式，利用前馈控制得到电机转速的补充量，有效提高了系统响应速度。
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速包括：
n(k)＝n1(k)+n2(k) (5)。
步骤S5：利用所述单向齿轮泵的电机转速控制所述单向齿轮泵的转动，调节液压油缸的液面位置。增压时单向齿轮泵转动向液压油缸无杆腔泵油，从而推动液压泵伸出；降压时单向齿轮泵停转，液压油缸被它的负载反推，液压油通过泵的内泄和卸荷阀流回油箱。
在本发明的另一实施例中，提供了一种基于液压驱动的人机接触力控制装置，如图2所示，该装置包括第一控制器、第二控制器、前馈控制器、单向齿轮泵、液压油缸；
所述第一控制器，用于根据最大接触力及采集的液压油缸接触力反馈值得到液压油缸压力给定；
所述第二控制器，用于根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到单向齿轮泵的电机转速给定；
所述前馈控制器，用于根据液压油缸当前状态得到电机前馈补偿；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速；利用所述单向齿轮泵的电机转速控制所述单向齿轮泵的转动，调节液压油缸的液面位置。
优选地，所述装置还包括第一减法器，用于根据最大接触力及采集的液压油缸接触力反馈值得到接触力跟踪误差e(k)，具体执行以下过程：
e(k)＝Fmax(k)-Ff(k) (6)
其中，Ff(k)为液压油缸的接触力传感器反馈值，Fmax(k)为最大接触力。
优选地，所述第一控制器执行以下过程得到液压油缸压力给定u1(k)：
其中kp1为第一控制器的比例系数，ki1为第一控制器的积分系数，kd1为第一控制器的微分系数，T为采样时间，e1(k)为修正后的接触力跟踪误差，e1(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差。
优选地，所述装置还包括第二减法器，用于根据液压油缸压力给定和液压油缸反馈压力得到压力跟踪误差e2(k)：
e2(k)＝u1(k)-Pl(k) (8)
其中，Pl(k)为液压油缸反馈压力；
所述第二控制器执行以下过程得到电机转速给定u2(k)：
其中，kp2为第二控制器的比例系数，ki2为第二控制器的积分系数，kd2为第二控制器的微分系数；e2(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差；
优选地，所述前馈控制器执行以下过程得到电机前馈补偿n2(k)：
其中，A为液压油缸活塞面积，V为液压油缸移动速度，Qyg为液压油缸泄露流量，q为单向齿轮泵排量，η为单向齿轮泵总效率，k为采样序号。
优选地，根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速包括：
n(k)＝n1(k)+n2(k) (11)。
本实施例的具体实施过程参见上述方法实施例即可，本实施例在此不再赘述。
由于本实施例与上述方法实施例原理相同，所以本系统也具有上述方法实施例相应的技术效果。
综上，本发明提供的基于液压驱动的人机接触力控制方法和装置，利用“反馈+前馈”的控制模式，有效提高了系统的响应速度；将接触力的控制最终转换为对液压泵电机的控制，有效提升控制精度；当液压油缸的接触力传感器反馈值大于最大接触力时，通过对接触力跟踪误差进行修定，保证液压油缸的接触力传感器反馈值尽快恢复到小于最大接触力的状态，减小了人机接触力，有效提高了控制效率。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液压驱动的人机接触力控制方法，其特征在于，步骤如下：
根据最大接触力及液压油缸的接触力传感器反馈值，得到接触力跟踪误差；
修正所述接触力跟踪误差，得到液压油缸压力给定；
根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到单向齿轮泵的电机转速给定；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速；
利用所述单向齿轮泵的电机转速控制所述单向齿轮泵的转动，调节液压油缸的液面位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机前馈补偿n2(k)为：
其中，A为液压油缸活塞面积，V为液压油缸移动速度，Qyg为液压油缸泄露流量，q为单向齿轮泵排量，η为单向齿轮泵总效率，k为采样序号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据最大接触力及液压油缸的接触力传感器反馈值，得到接触力跟踪误差e(k)，具体执行以下步骤：
e(k)＝Fmax(k)-Ff(k) (2)
其中，Ff(k)为液压油缸的接触力传感器反馈值，Fmax(k)为最大接触力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述修正所述接触力跟踪误差，得到液压油缸压力给定包括：
利用式判断所述接触力误差e(k)与0的关系，得到修正后的接触力跟踪误差e1(k)；
通过第一控制器输出所述液压油缸压力给定u1(k)：
其中kp1为第一控制器的比例系数，ki1为第一控制器的积分系数，kd1为第一控制器的微分系数，T为采样时间，e1(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到电机转速给定包括：
利用式e2(k)＝u1(k)-Pl(k)得到压力跟踪误差e2(k)，其中，Pl(k)为液压油缸反馈压力；
通过第二控制器输出所述电机转速给定u2(k)：
其中，kp2为第二控制器的比例系数，ki2为第二控制器的积分系数，kd2为第二控制器的微分系数；e2(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速包括：
n(k)＝n1(k)+n2(k) (5)。
6.一种根据权利要求1-5所述方法设计的基于液压驱动的人机接触力控制装置，其特征在于，所述装置包括第一控制器、第二控制器、前馈控制器、单向齿轮泵、液压油缸；
所述第一控制器，用于根据最大接触力及采集的液压油缸接触力反馈值得到液压油缸压力给定；
所述第二控制器，用于根据液压油缸压力给定与液压油缸反馈压力，得到单向齿轮泵的电机转速给定；
所述前馈控制器，用于根据液压油缸当前状态得到电机前馈补偿；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速；利用所述单向齿轮泵的电机转速控制所述单向齿轮泵的转动，调节液压油缸的液面位置。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述前馈控制器执行以下过程得到电机前馈补偿n2(k)：
其中，A为液压油缸活塞面积，V为液压油缸移动速度，Qyg为液压油缸泄露流量，q为单向齿轮泵排量，η为单向齿轮泵总效率，k为采样序号。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一减法器，用于根据最大接触力及采集的液压油缸接触力反馈值得到接触力跟踪误差e(k)，具体执行以下过程：
e(k)＝Fmax(k)-Ff(k) (7)
其中，Ff(k)为液压油缸的接触力传感器反馈值，Fmax(k)为最大接触力。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一控制器执行以下过程得到液压油缸压力给定u1(k)：
其中kp1为第一控制器的比例系数，ki1为第一控制器的积分系数，kd1为第一控制器的微分系数，T为采样时间，e1(k)为修正后的接触力跟踪误差，e1(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二减法器，用于根据液压油缸压力给定和液压油缸反馈压力得到压力跟踪误差e2(k)：
e2(k)＝u1(k)-Pl(k) (9)
其中，Pl(k)为液压油缸反馈压力；
所述第二控制器执行以下过程得到电机转速给定u2(k)：
其中，kp2为第二控制器的比例系数，ki2为第二控制器的积分系数，kd2为第二控制器的微分系数；e2(j)为采样序号0到k中第j个采样点对应的修正后的跟踪误差；
根据所述电机转速给定与电机前馈补偿处理得到单向齿轮泵的电机转速包括：
n(k)＝n1(k)+n2(k) (11)。
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