CN111168677A - 一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法，采用基于虚拟阻尼、惯量参数的控制方法，属于仿人柔性手臂控制领域。所述方法包括：针对柔性关节因柔性元件的引入造成系统阻尼减小从而使系统稳定性降低的问题，采用引入虚拟阻尼、惯量参数的方法，建立了基于虚拟阻尼、惯量的柔性关节模型，构建引入虚拟阻尼、惯量参数的控制方程，为柔性关节系统增加虚拟惯量和阻尼特性，以提高系统阻尼比，提高系统稳定性。本发明方法通过引入虚拟阻尼、惯量参数的方法，在不增加额外硬件结构和复杂算法的前提下，增大了柔性关节系统阻尼比，提高了仿人柔性手臂系统稳定性，提高了仿人柔性手臂的适应性和实用性。

Description

一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法

技术领域

本发明涉及仿人柔性手臂控制领域，具体提供一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法。

背景技术

随着机器人在工业现场、服务行业、航空航天等领域的应用不断扩大，对机器人系统的控制要求越来越高。仿人柔性手臂相较于刚性关节机械臂能够更好地模仿人类手臂的“柔顺性”，可以更好的执行无预设环境的接触性任务。然而，低刚度特性的柔性元件的引入，使仿人柔性手臂系统阻尼明显降低，导致系统稳定性变差，难以达到期望的控制要求，严重的可能导致机械臂失控，造成机械臂损坏或破坏应用现场环境等问题。现有的仿人柔性手臂稳定性控制方法分为被动控制和主动控制，被动控制通常采用改变柔性关节硬件结构以加大关节机械阻尼的方式提高关节系统稳定性，主动控制方法通过增加各类复杂的轨迹跟踪算法，使柔性臂工作在平衡位置附近，来近似认为增加了柔性手臂系统稳定性。而这两类传统的控制方法势必会面临关节硬件结构设计复杂、关节结构重量增加等问题，以及控制器算法实现难度增大、系统响应时间延长等问题，均难以较好的实现提高仿人柔性手臂系统稳定性的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种有效应对仿人柔性手臂稳定性较差的问题的方法，主要解决含有柔性元件的仿人柔性手臂系统的稳定性控制问题。本发明基于虚拟阻尼、惯量的仿人柔性手臂稳定性控制方法，在不引入额外硬件结构的基础上，有效增加了柔性关节系统的阻尼比，缩短了关节受扰动后恢复稳定的时间，提高了关节系统稳定性；且虚拟阻尼、惯量参数的取值不受硬件限制，易于调整、实现。其技术内容包括：

一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法，采用调整虚拟阻尼、惯量参数的方法提高仿人柔性手臂系统的稳定性，其特征在于：

采用调整虚拟阻尼、惯量参数的方法提高仿人柔性手臂系统稳定性的控制方程为：

其中，J^*、D^*分别为引入的虚拟惯量参数与虚拟阻尼参数；T_ref为额定输出转矩，实际控制中与负载转矩相等；T_e为驱动电机瞬时电磁转矩，nT_e为电机经减速器后输出到扭转弹簧的等效电磁转矩，n为减速器减速比；

为连杆转速；

为驱动电机经减速器后输出的转速；D^*为虚拟阻尼参数，J^*为惯量其中J^*与系统动态响应速度成反比，D^*与系统振荡衰减速度成正比，理论上虚拟参数满足全范围取值，可根据系统期望状态调节虚拟参数的取值，实际应用中受直流测电源性能约束；

引入虚拟阻尼、惯量参数后，柔性关节二阶微分模型的一般形式为：

其中，D为柔性关节总阻尼，表示为D＝D₁+D^*，D₁为关节固有阻尼；M为柔性关节总转动惯量，表示为M＝I₁+I_j1+J^*，I₁为连杆转动惯量，I_j1为关节固有转动惯量；J为电机转子经减速器后的输出惯量；θ为电机经减速器后转动角度；

为电机经减速器后角加速度；q为连杆转动角度；

为连杆转动角速度；τ_m为电机输出力矩；k为弹簧缸扭转弹簧钢度系数；

采用虚拟阻尼、惯量控制的系统自然振荡角频率ω_n和阻尼比ξ可表示为：

D₁、I₁、I_j1为硬件设计固有参数，因此虚拟阻尼参数D^*、虚拟惯量参数J^*的取值决定系统稳定性，虚拟阻尼参数D^*影响系统衰减振荡速度，虚拟惯量参数J^*影响系统响应时间；

取ξ^*＝0.707，获得最优系统稳定性，取△＝±2％作为允许误差，系统超调量与调节时间表示为：

本发明有益之处体现于：由上述分析可知：当柔性关节系统突然加速运动时，由虚拟阻尼惯量控制方程可知，虚拟惯量参数J^*使关节驱动电机输出力矩增量反映到手臂连杆转速上的变化率降低，J^*取值越大，手臂连杆对于驱动系统突然加速带来的应激响应越平缓，从而维持系统的稳定性；当柔性关节系统减速运动时，以驱动电机输出零力矩为例，虚拟阻尼参数D^*的存在使驱动电机与手臂连杆的转速差具有了阻尼特性，D^*取值越大，转速差值衰减速度越快，从而使手臂连杆追踪驱动电机状态的速度加快，有利于系统快速稳定。

本发明所述基于虚拟阻尼、惯量的控制方法，通过控制算法产生虚拟阻尼、惯量，为关节驱动系统增加虚拟的转子惯性和阻尼特性，等效增加连杆转动阻尼与转动惯量，提高系统阻尼比，以改善手臂连杆动态响应特性，缩短了关节系统振荡衰减时间，提高了系统稳定性。

附图说明

图1是基于虚拟阻尼、惯量的仿人柔性手臂系统稳定性控制方法框图；

图2是典型柔性关节结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法，采用基于虚拟阻尼、惯量的方法提高仿人柔性手臂系统的稳定性。基于虚拟阻尼、惯量的仿人柔性手臂系统稳定性控制方法框图如图1所示。采集驱动电机输出信号作为控制器输入信号，采用引入虚拟阻尼、惯量参数的控制方法对检测信号进行计算后，信号作为指令值输入到驱动器，以相应调节驱动电机运行状态。

图2为典型柔性关节结构示意图。在不引入虚拟阻尼、惯量的情况下，采用拉格朗日动力学方程法建立柔性关节模型；

针对1自由度柔性关节进行动力学建模，其二阶微分方程一般形式为：

其中，D₁为关节固有阻尼；M₁为柔性关节固有转动惯量，表示为M₁＝I₁+I_j1，I₁为连杆转动惯量，I_j1为关节固有转动惯量；J为电机转子经减速器后的输出惯量；θ为电机经减速器后转动角度；

为电机经减速器后角加速度；

为连杆转动角速度；τ_m为电机输出力矩；

将关节动力学模型线性化，整理为传递函数形式，可写为典型二阶振荡系统，其系统固有自然角频率ω_n0和系统固有阻尼比ξ₀为：

分析可知，柔性关节系统阻尼比仅受关节硬件结构影响，为固定值；且关节阻尼项较小，无法对维持系统稳定性起明显作用；弹性元件的引入进一步减小了系统阻尼比。因此柔性关节会在运动过程中长时间处于低稳定性状态，严重的可能失去控制。

本发明所述基于虚拟阻尼、惯量的控制方法，通过控制算法产生虚拟阻尼、惯量，为关节驱动系统增加虚拟的转子惯性和阻尼特性，等效增加连杆转动阻尼与转动惯量，以改善手臂连杆动态响应特性，提高系统阻尼比，提高系统稳定性；

虚拟阻尼、惯量控制方法符合方程：

其中，J^*、D^*分别为引入的虚拟惯量参数与虚拟阻尼参数；T_ref为额定输出转矩，实际控制中与负载转矩相等；T_e为驱动电机瞬时电磁转矩，nT_e为驱动电机经减速器后输出到扭转弹簧的等效电磁力矩，n为减速器减速比；

为连杆转速；

为驱动电机经减速器后输出的转速。虚拟阻尼、惯量参数J^*、D^*的引入使关节驱动器具有了阻尼系统振荡的能力，其中J^*与动态响应速度成反比，D^*与系统振荡衰减速度成正比；而且虚拟阻尼、惯量参数不受硬件约束，可以针对不同运行状态灵活取值；

参数D^*、J^*是模拟阻尼和惯量特性而引入的虚拟阻尼、惯量参数，其对于柔性关节系统模型的影响，与关节固有阻尼D₁及固有惯量M₁相同。所以对于柔性关节系统来说，虚拟阻尼、惯量与系统硬件固有阻尼、惯量可实现线性叠加。

因此，引入虚拟阻尼、惯量参数后，柔性关节二阶微分模型的一般形式为：

其中，D为柔性关节总阻尼，表示为D＝D₁+D^*；M为柔性关节总转动惯量，表示为M＝I₁+I_j1+J^*；

此时再将关节模型线性化后，其自然振荡角频率ω_n和阻尼比ξ可表示为：

因此，引入虚拟阻尼、惯量参数后，系统阻尼比与关节总阻尼系数D成正比，与关节总惯量M成反比。考虑到D₁、I₁、I_j1为硬件设计固有参数，因此柔性关节阻尼比可由虚拟阻尼参数D^*及虚拟惯量参数J^*决定，虚拟阻尼参数D^*影响系统衰减振荡速度，虚拟惯量参数J^*影响系统响应时间，相应改变参数取值，即可调节系统稳定状态。D^*、J^*理论上可全范围取值，实际应用中受直流测电源性能的限制，可根据手臂驱动系统硬件条件确定虚拟参数的取值范围。

调整D^*、J^*取值，将系统阻尼比按照“最优二阶系统”理论整定为ξ^*＝0.707，系统将获得最优响应速度和超调量，并以此获得最优的系统稳定性能。取△＝±2％作为允许误差，系统超调量与调节时间表示为：

由上述分析可知：当柔性关节系统突然加速运动时，由虚拟阻尼惯量控制方程可知，虚拟惯量参数J^*使关节驱动电机输出力矩增量反映到手臂连杆转速上的变化率降低，J^*取值越大，手臂连杆对于驱动系统突然加速带来的应激响应越平缓，从而维持系统的稳定性；当柔性关节系统减速运动时，以驱动电机输出零力矩为例，虚拟阻尼参数D^*的存在使驱动电机与手臂连杆的转速差具有了阻尼特性，D^*取值越大，转速差值衰减速度越快，从而使手臂连杆追踪驱动电机状态的速度加快，有利于系统快速稳定。

本发明所述基于虚拟阻尼、惯量的控制方法，通过控制算法产生虚拟阻尼、惯量，为关节驱动系统增加虚拟的转子惯性和阻尼特性，等效增加连杆转动阻尼与转动惯量，提高系统阻尼比，以改善手臂连杆动态响应特性，缩短了关节系统振荡衰减时间，提高了系统稳定性。

Claims (1)

1.一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法，采用调整虚拟阻尼、惯量参数的方法提高仿人柔性手臂系统的稳定性，其特征在于：

采用调整虚拟阻尼、惯量参数的方法提高仿人柔性手臂系统稳定性的控制方程为：

其中，J^*、D^*分别为引入的虚拟惯量参数与虚拟阻尼参数；T_ref为额定输出转矩，实际控制中与负载转矩相等；T_e为驱动电机瞬时电磁转矩，nT_e为电机经减速器后输出到扭转弹簧的等效电磁转矩，n为减速器减速比；

为连杆转速；

为驱动电机经减速器后输出的转速；D^*为虚拟阻尼参数，J^*为惯量其中J^*与系统动态响应速度成反比，D^*与系统振荡衰减速度成正比，理论上虚拟参数满足全范围取值，可根据系统期望状态调节虚拟参数的取值，实际应用中受直流测电源性能约束；

引入虚拟阻尼、惯量参数后，柔性关节二阶微分模型的一般形式为：

其中，D为柔性关节总阻尼，表示为D＝D₁+D^*，D₁为关节固有阻尼；M为柔性关节总转动惯量，表示为M＝I₁+I_j1+J^*，I₁为连杆转动惯量，I_j1为关节固有转动惯量；J为电机转子经减速器后的输出惯量；θ为电机经减速器后转动角度；

为电机经减速器后角加速度；q为连杆转动角度；

为连杆转动角速度；τ_m为电机输出力矩；k为弹簧缸扭转弹簧钢度系数；

采用虚拟阻尼、惯量控制的系统自然振荡角频率ω_n和阻尼比ξ可表示为：

D₁、I₁、I_j1为硬件设计固有参数，因此虚拟阻尼参数D^*、虚拟惯量参数J^*的取值决定系统稳定性，虚拟阻尼参数D^*影响系统衰减振荡速度，虚拟惯量参数J^*影响系统响应时间；

取ξ^*＝0.707，获得最优系统稳定性，取△＝±2％作为允许误差，系统超调量与调节时间表示为：

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