CN110030234A - 一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略。液压柔顺驱动器的基本工作原理是：伺服阀控制液压缸往复运动，工控机对传感器实时信号进行处理和分析并基于PID控制器计算得出伺服阀控制信号，从而实现对液压缸的位置伺服控制。所谓交互安全控制策略是指当液压柔顺驱动器与外界环境或人发生碰撞时，系统应该能够对碰撞的发生进行检测与识别，然后做出反应，并对碰撞所能造成的伤害程度进行判别。本发明针对不同的应用场景，提出了交互安全控制策略的三种具体实施方案，即碰撞远离、任务保持和随动控制。与现有技术相比，本发明在不额外增加传感器的情况下实现了碰撞的检测和识别，并提出了具有实用价值的交互安全控制策略。

Description

一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略

技术领域

本发明涉及一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略，属于电液伺服和液压柔顺驱动控制领域。

背景技术

机器人技术飞速发展，应用范围广泛。在一些应用环境充满了不确定性，例如：抢险救灾、地形勘探和人机交互等。为应对这些复杂的环境，并在该环境下完成各种任务，对机器人的性能提出了更高的要求。驱动器是机器人产生运动的关键部件，在需要机器人与人配合，以适应多变的工作环境完成相关任务时，驱动器必须能够精确、平稳、安全地运动。

由于总是受到环境因素约束，在与人进行交互时，对机器人而言感知和控制自身与外界环境之间的相互作用力至关重要。而许多驱动技术在产生和保持精确力方面表现很差。造成不精确力的原因包括摩擦、粘滞、泄漏、变速器的齿隙和电机齿槽效应等。为了实现精确的力控制，可采用串联弹性体的液压柔顺驱动器。现有柔顺驱动器的相关研究针对各种不同的应用背景，结构形式多样，大多数处于实验阶段，且主要采用电机驱动，其功率较小。而液压驱动具有更高的功率密度，对大功率驱动系统具有更好的适应性。因此，本发明所提出的基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略将有助于推动液压柔顺驱动器在需要人机交互的环境下实现大规模应用，具有重大的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略，应用该策略可保障人与机器人共享工作空间时两者的交互安全性。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明所提出的交互安全控制策略基于液压柔顺驱动器，主要包括液压柔顺驱动器本体部分、控制部分和供能部分；

所述液压柔顺驱动器本体主要包括伺服阀、液压缸和弹性体；

所述控制部分主要包括传感器、数据采集设备和工控机；

所述供能部分主要包括油箱、电机和泵。

液压柔顺驱动器原理框图如图1所示。其中采用高频响电液伺服阀控制液压缸组成阀控缸系统，实现系统作动；在液压缸输出端串联连接着一个弹性体，弹性体的另一端与负载连接；在液压缸和弹性体上加装位移传感器用于测量活塞杆输出位移以及负载位移。数据采集设备实时采集传感器数据反馈给工控机，由工控机基于闭环控制算法计算得出伺服阀控制指令，从而实现系统输出位移的伺服控制。其中供能部分为液压柔顺驱动本体提供液压能源。

不同于一般的与负载刚性连接的驱动器，液压柔顺驱动器的液压缸输出端与负载之间采用柔顺连接，刚度更小且具备储能特性、被动柔顺性以及缓冲作用，并具有降低系统阻抗和减少外界干扰等特点。因此，可以在满足驱动系统输出要求的情况下，通过液压柔顺驱动器的弹性体实现交互安全控制策略。

所谓交互安全控制策略是指当液压柔顺驱动器与外界环境或人发生碰撞时，系统应该能够对碰撞的发生进行检测与识别，然后做出反应，并对碰撞所能造成的伤害程度进行判别，交互安全控制流程图如图2所示。液压柔顺驱动系器正常运行过程中可能与工作空间中的人或障碍物发生碰撞，在不额外增加传感器的情况下，液压柔顺驱动器需要对这些可能发生的碰撞持续进行准确稳定的检测和识别。本发明中采用位移信号作为碰撞检测和识别信号。位移传感器输出信号稳定，经过卡尔曼滤波之后毛刺尖峰等噪声明显减小。该信号通过校准后得到精确的实际位移量，将液压缸输出位移与负载位移作差，即可得到弹性体的形变量，该形变量与驱动器受到的外力成正比。设置一个合适的阈值，通过对比形变量与阈值的大小，对碰撞是否发生进行判定。实际设定的阈值取决于系统中的干扰、噪声和负载重量，在采取降噪措施和信号滤波的同时，进行阈值调整来避免由于噪声和干扰引起的错误检测，就可实现碰撞的识别。判定发生碰撞后，系统采取既定交互安全控制策略对碰撞做出反应。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在不额外增加传感器的情况下，利用液压柔顺驱动器的弹性体结构，实现对碰撞的检测和识别，提出了具有实用价值的交互安全控制策略，并且控制器结构简单、易于实现。

附图说明

图1是液压柔顺驱动器原理框图；

图2是液压柔顺驱动器交互安全控制流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略。液压柔顺驱动器作为交互安全控制策略的实施载体，其原理框图如图1所示。伺服阀控制液压缸作往复运动，通过数据采集设备采集传感器信号，由工控机对传感器实时信号进行处理和分析，基于PID控制器计算得出输出控制信号也即为伺服阀的输入控制指令，从而实现对液压缸的位置伺服控制，供能部分为液压柔顺驱动器本体部分提供液压能源。

当液压柔顺驱动器处于正常运行状态时，受正常PID控制器闭环控制调节，实现对液压柔顺驱动器的位置伺服控制。当驱动器受到一定程度的碰撞力后，将液压缸输出端和负载位移相减得到弹性体形变量，将其与设定好的阈值进行对比，进行碰撞的检测和识别。若形变量低于阈值，则伺服阀继续接收正常PID控制信号；若形变量超过阈值，则伺服阀将转换为接收交互安全控制信号，此信号会控制驱动器沿着所受碰撞力的方向运动，从而远离碰撞发生点。上述液压柔顺驱动器交互安全控制流程如图2所示。

所谓交互安全控制信号即在检测到液压柔顺驱动器发生碰撞后控制其做出安全反应的信号。该信号作为交互安全控制策略的具体实施方式可根据实际情况采取三种不同方案：

方案一为碰撞远离，将设定好的固定值作为交互安全控制信号，使驱动器沿所受碰撞力的方向运动，从而远离碰撞发生点，直至驱动器到达极限位置，系统停止工作；

方案二为任务保持，将弹性体形变量作为另一个交互安全控制PID控制器的输入，并将该控制器的输出作为伺服阀的控制信号。该控制信号与弹性体形变信号同步，随着碰撞发生同时产生，随着碰撞结束同时消失，控制驱动器远离碰撞发生点。直到弹性体形变量小于设定阈值，即碰撞结束，伺服阀重新开始接收正常PID控制信号，控制驱动器回到期望运动轨迹上继续完成工作。

方案三为随动控制，只要判定驱动器受到外力作用，就控制驱动器沿所受外力方向运动，直至所受外力消失或到达极限位置，从而达到随动控制的效果。即随着碰撞力的产生而移动，碰撞力消失时驱动器静止于当前位置；

方案一的控制方式打断了系统的工作进程，而对于一些轻微的碰撞而言，并不需要系统强制停机。此时就可以采用方案二，在保障人机交互安全性的同时也兼顾到了生产效益。但是在一些可能发生严重碰撞的场景，需要迅速撤离并停机，即可采用方案一。方案三在保证人机交互时人和设备安全的同时，将柔顺性由弹性体延伸到了整个驱动器，使系统具有更小且可调的刚度，也具有重要应用价值。总的来说，本发明中所提出的交互安全控制策略简单易行，适用于一些需要保障人机交互安全的场景。

Claims (3)

1.一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略，其特征在于：用于实现该策略的液压柔顺驱动器包括液压柔顺驱动器本体部分、控制部分和供能部分；其中液压柔顺驱动器本体部分主要包括伺服阀、液压缸、弹性体；控制部分主要包括传感器、数据采集设备和工控机；供能部分主要包括油箱、电机和泵；伺服阀控制液压缸作往复运动，通过数据采集设备采集传感器信号，由工控机对传感器实时信号进行处理和分析，基于PID控制器计算得出输出控制信号也即为伺服阀的输入控制指令，从而实现对液压缸的位置伺服控制，供能部分为液压柔顺驱动器本体提供液压能源。

2.根据权利要求1所述的一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略，其特征在于：用于实现该策略的液压柔顺驱动器不同于一般的与负载刚性连接的驱动器，液压柔顺驱动器的液压缸输出端与负载之间采用弹性体柔顺连接，使得液压柔顺驱动器能够基于弹性体的形变量实现对碰撞的检测和识别，并且在判断发生碰撞后采取既定交互安全控制策略，从而在需要进行人机交互的应用场景中保护人与设备的安全。

3.根据权利要求1所述的一种基于液压柔顺驱动器的交互安全控制策略，其特征在于：该交互安全控制策略根据不同应用场景可采用三种具体实施方案：

方案一为碰撞远离，将设定好的固定值作为交互安全控制信号，使驱动器沿所受碰撞力的方向运动，从而远离碰撞发生点，直至驱动器到达极限位置，系统停止工作；

方案二为任务保持，将弹性体形变量作为另一个交互安全控制PID控制器的输入，并将该控制器的输出作为伺服阀的控制信号。该控制信号与弹性体形变信号同步，随着碰撞发生同时产生，随着碰撞结束同时消失，控制驱动器远离碰撞发生点。直到弹性体形变量小于设定阈值，即碰撞结束，伺服阀重新开始接收正常PID控制信号，控制驱动器回到期望运动轨迹上继续完成工作；

方案三为随动控制，只要判定驱动器受到外力作用，就控制驱动器沿所受外力方向运动，直至所受外力消失或到达极限位置，从而达到随动控制的效果。即随着碰撞力的产生而移动，碰撞力消失时驱动器静止于当前位置。