CN110497409A - 用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块 - Google Patents

Abstract

用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块，包括位置环和力环，位置环包括位置输入端、位置选择矩阵和位置控制律模块；位置输入端输入末端位置信号给位置选择矩阵，经过处理后的位置信号输入给力位混合控制律输出模块；力环包括力输入端、力选择矩阵、力控制律模块和基于电机电流的关节力矩估计模块，末端力输入端用于输入末端力信号给力选择矩阵，经过处理后的力信号输入给力位混合控制律输出模块，关节力矩估计模块将关节电机的实时电流反馈给末端力输入端；力位混合控制律输出模块给关节电机输入力位混合控制律输出信号。本发明具有无传感器都可以检测和估计各个机器人关节力矩的，以及降低协作机器人成本的优点。

Description

用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块

技术领域

本发明属于协作机器人领域，尤其是一种用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块。

背景技术

机器人在生产自动化中占有极其重要的位置，目前机器人己广泛的应用在生产自动化中，而绝大多数的机器人是按预先编制好的程序来进行工作，这称之为位置控制。但当外界条件发生变化时，工作状态就要发生变化，为了使机器人做正确的动作，则机器人就应使其动作响应外界条件的变化作相应的调整，如果此时采用位置控制机器人，工作将产生困难。

要使机器人能对外界的变化产生响应，一般采用视觉传感器、力传感器等来感受外界的变化，然后将信息反馈给控制系统，使之根据外界的变化来控制机器人的动作。柔顺控制就是从力传感器取得控制信号，用此信号去控制机器人，使之响应这个变化而动作。

柔顺性分为主动柔顺性和被动柔顺性两类。机器人凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环境接触时能够对外部作用力产生自然顺从，称为被动柔顺性；机器人利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力，称为主动柔顺性。

现有的机器人的主动柔顺力控制信息主要通过关节上的力/力矩传感器获得，但是力/力矩传感器体积大，不适合于协作机器人上使用，如果采用较小体积的力/力矩传感器，则有存在价格昂贵的问题。因此，市场上需要一种无传感器都可以检测和估计各个机器人关节力矩的产品，以降低协作机器人的成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明向社会提供一种无传感器都可以检测和估计各个机器人关节力矩的，以及降低协作机器人成本的用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块。

本发明的技术方案是：本发明在机器人的主动柔顺控制中，机器人是由两个反馈环控制：位置环与力环，它们的控制环中都有反馈信号与控制律。位置与力的反馈信号经过各自的控制策略传给执行器作为力位混合控制律输出信号G。在位置和力控制环中通过柔顺选择矩阵S来控制机械臂末端执行器的每个自由度，S是一个对角矩阵，记作：

S＝diag(s₁，s₂，...，s_n)

当机械臂末端的第i个自由度为位置控制时s_i＝1，为力控制时s_i＝0；柔顺选择矩阵S基于力觉信息进行在线调整。

因为两个环相互作用，所以各个关节会共同作用实现位置和力的混合主动柔顺控制。通过力位混合控制律输出信号G将力位混合控制分为三种形式：(1)力位混合控制律输出信号G等于关节力矩；(2)力位混合控制律输出信号G等于在操作空间中的位置或者速度；(3)力位混合控制律输出信号G等于任务空间中的力。

所述基于电机电流的关节力矩估计模块的构造为，完整的机器人动力学方程为式一：

其中M∈R_n×n为关节空间惯性矩阵；C∈R_n×n为哥氏力和向心力计算矩阵；g∈R_n×1为重力项向量；q∈R_n×1为驱动关节角度向量；τ∈R_n×1为驱动关节转矩；

电机转矩τ_m驱动的方程式为：

τ＝Nτ_m 式二

其中N∈R_n×n为每个关节减速比的对角矩阵，设J_m为电机转子的惯量；推导过程中，将电机转子处的摩擦归入摩擦项代入电机转矩模块和关节转矩的关系，得出基于电机电流的关节力矩估计模块，从而得到力检测输出：

输出其中ψ(i)＝τ_m为电机输出力矩与电流之间的映射模块。

本发明具有无传感器都可以检测和估计各个机器人关节力矩的，以及降低协作机器人成本的优点。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

请参见图1，图1揭示的是一种用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块，包括位置环1和力环2，所述位置环1包括末端位置输入端11、位置选择矩阵12和位置控制律模块13；所述末端位置输入端11用于输入末端位置信号给所述位置选择矩阵12，末端位置信号依经过位置选择矩阵12和位置控制律模块13处理后的位置信号输入给力位混合控制律输出模块3；所述力环2包括末端力输入端21、力选择矩阵22、力控制律模块13和基于电机电流的关节力矩估计模块24，所述末端力输入端21用于输入末端力信号给所述力选择矩阵22，末端力信号依经过力选择矩阵22和力控制律模块23处理后的力信号输入给力位混合控制律输出模块3，所述关节力矩估计模块24将关节电机5的实时电流反馈给末端力输入端21；所述力位混合控制律输出模块3给关节电机5输入力位混合控制律输出信号G，关节电机5通过传动机构6控制机器人7动作。

图1中，和f_d分别为理想的末端位置和接触力。

优选的，本发明还包括机器人运动学模块14，所述机器人运动学模块14将机器人7的关节角度和角速度反馈给末端位置输入端11。

优选的，本发明还包括补偿模块4，所述补偿模块4介于所述力位混合控制律输出模块3和所述关节电机5之间。

优选的，所述位置选择矩阵12和所述力选择矩阵22是合二为一的，称为柔顺选择矩阵S。

优选的，所述柔顺选择矩阵S的表达式为：

S＝diag(s₁，s₂，...，s_n)

当机械臂末端的第i个自由度为位置控制时s_i＝1，为力控制时s_i＝0；柔顺选择矩阵S基于力觉信息进行在线调整。

优选的，所述基于电机电流的关节力矩估计模块24的构造为，完整的机器人动力学方程为式一：

其中M∈R_n×n为关节空间惯性矩阵；C∈R_n×n为哥氏力和向心力计算矩阵；g∈R_n×1为重力项向量；q∈R_n×1为驱动关节角度向量；τ∈R_n×1为驱动关节转矩；

电机转矩τ_m驱动的方程式为：

τ＝Nτ_m 式二

其中N∈R_n×n为每个关节减速比的对角矩阵，设J_m为电机转子的惯量；推导过程中，将电机转子处的摩擦归入摩擦项代入电机转矩模块和关节转矩的关系，得出基于电机电流的关节力矩估计模块，从而得到力检测输出：

输出其中ψ(i)＝τ_m为电机输出力矩与电流之间的映射模块。

本发明具有无传感器都可以检测和估计各个机器人关节力矩的，以及降低协作机器人成本的优点。

Claims (6)

1.一种用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块，其特征在于，包括位置环(1)和力环(2)，所述位置环(1)包括末端位置输入端(11)、位置选择矩阵(12)和位置控制律模块(13)；所述末端位置输入端(11)用于输入末端位置信号给所述位置选择矩阵(12)，末端位置信号依经过位置选择矩阵(12)和位置控制律模块(13)处理后的位置信号输入给力位混合控制律输出模块(3)；所述力环(2)包括末端力输入端(21)、力选择矩阵(22)、力控制律模块(13)和基于电机电流的关节力矩估计模块(24)，所述末端力输入端(21)用于输入末端力信号给所述力选择矩阵(22)，末端力信号依经过力选择矩阵(22)和力控制律模块(23)处理后的力信号输入给力位混合控制律输出模块(3)，所述关节力矩估计模块(24)将关节电机(5)的实时电流反馈给末端力输入端(21)；所述力位混合控制律输出模块(3)给关节电机(5)输入力位混合控制律输出信号(G)。

2.根据权利要求1所述的用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块，其特征在于：还包括机器人运动学模块(14)，所述机器人运动学模块(14)将机器人(7)的关节角度和角速度反馈给末端位置输入端(11)。

3.根据权利要求1或2所述的用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块，其特征在于：还包括补偿模块(4)，所述补偿模块(4)介于所述力位混合控制律输出模块(3)和所述关节电机(5)之间。

4.根据权利要求1或2所述的用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块，其特征在于：所述位置选择矩阵(12)和所述力选择矩阵(22)是合二为一的，称为柔顺选择矩阵(S)。

5.根据权利要求4所述的用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块，其特征在于：所述柔顺选择矩阵(S)的表达式为：

S＝diag(s₁，s₂，...，s_n)

当机械臂末端的第i个自由度为位置控制时s_i＝1，为力控制时s_i＝0；柔顺选择矩阵S基于力觉信息进行在线调整。

6.根据权利要求1或2所述的用于驱控一体化控制系统的无传感化主动柔顺控制模块，其特征在于，

所述基于电机电流的关节力矩估计模块(24)的构造，完整的机器人动力学方程为式一：

其中M∈R_n×n为关节空间惯性矩阵；C∈R_n×n为哥氏力和向心力计算矩阵；g∈R_n×1为重力项向量；q∈R_n×1为驱动关节角度向量；τ∈R_n×1为驱动关节转矩；

电机转矩τ_m驱动的方程式为：

τ＝Nτ_m 式二

其中N∈R_n×n为每个关节减速比的对角矩阵，设J_m为电机转子的惯量；推导过程中，将电机转子处的摩擦归入摩擦项代入电机转矩模块和关节转矩的关系，得出基于电机电流的关节力矩估计模块，从而得到力检测输出：

输出其中ψ(i)＝τ_m为电机输出力矩与电流之间的映射模块。