CN112476423B

CN112476423B - 机器人的关节电机控制方法、装置、设备及存储介质

Info

Publication number: CN112476423B
Application number: CN202011263920.4A
Authority: CN
Inventors: 王帅; 翁创鸿
Original assignee: Tencent Technology Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Tencent Technology Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2040-11-12
Also published as: CN112476423A

Abstract

本申请是关于一种机器人的关节电机控制方法、装置、设备及存储介质，涉及机器人技术领域。所述方法包括：获取机器人的关节电机的外部温度，该外部温度包括环境温度和电机外壳温度的至少一种；基于该外部温度，获取该关节电机的热流信息；该热流信息用于指示该关节电机的电机绕组的热流；基于该热流信息，获取该关节电机的控制参数；基于该控制参数，控制该关节电机。在控制关节电机的过程中，上述方案通过热流信息来调整关节电机的力矩，避免关节电机在持续高负荷运转下内部器件迅速老化，在保护关节电机的同时，提升关节电机的工作效率。

Description

机器人的关节电机控制方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人的关节电机控制方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，多关节机器人的工作强度越来越高，机器人的关节电机也更容易受损。

在相关技术中，为了防止关节电机的损坏，会设置固定的关节电机的力矩上限，从而保护关节电机。

然而，现有技术虽然保护了关节电机，但是也限制了关节电机本身的最大工作力矩，导致关节电机的工作效率较低。

发明内容

本申请实施例提供了一种机器人的关节电机控制方法、装置、设备及存储介质，能够在保护关节电机的同时，提升关节电机的工作效率，该技术方案如下。

一方面，提供了一种机器人的关节电机控制方法，所述方法包括：

获取机器人的关节电机的外部温度，所述外部温度包括环境温度和电机外壳温度的至少一种；

基于所述外部温度，获取所述关节电机的热流信息；所述热流信息用于指示所述关节电机的电机绕组的热流；

基于所述热流信息，获取所述关节电机的控制参数；

基于所述控制参数，控制所述关节电机。

又一方面，提供了一种机器人的关节电机控制装置，所述装置包括：

外部温度获取模块，用于获取机器人的关节电机的外部温度，所述外部温度包括环境温度和电机外壳温度的至少一种；

热流信息获取模块，用于基于所述外部温度，获取所述关节电机的热流信息；所述热流信息用于指示所述关节电机的电机绕组的热流；

控制参数获取模块，用于基于所述热流信息，获取所述关节电机的控制参数；

电机控制模块，用于基于所述控制参数，控制所述关节电机。

在一种可能的实现方式中，所述控制参数获取模块，包括：

工作空间路径获取子模块，用于获取所述关节电机的工作空间路径，所述工作空间路径是所述关节电机控制的机械组件在执行指定任务时，在空间中运动的路径；

控制参数获取子模块，用于基于所述工作空间路径和所述热流信息，获取所述关节电机的所述控制参数。

在一种可能的实现方式中，所述控制参数获取子模块，包括：

权重获取单元，用于基于所述热流信息，获得所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值；

控制参数获取单元，用于基于所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取所述关节电机的所述控制参数；所述权重值与力矩的增加速率成反相关。

在一种可能的实现方式中，所述控制参数获取单元，还用于所述控制参数包括：所述关节电机对应在所述工作空间路径的各个时间点上的力矩、所述关节电机对应的角度与所述各个时间点之间的对应关系、所述关节电机的角速度与所述各个时间点之间的对应关系、以及所述关节电机的角加速度与所述各个时间点之间的对应关系。

在一种可能的实现方式中，所述控制参数获取单元，包括：

局部线性处理子单元，用于基于局部线性化方法，对所述工作空间路径进行分段，获取N个线性工作空间路径段，N为整数，且N大于或者等于1；

控制参数获取子单元，用于基于所述N个线性工作空间路径段，以及所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取所述关节电机的控制参数。

在一种可能的实现方式中，所述控制参数获取子单元，还用于基于所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，以及指定约束条件，对所述N个线性工作空间路径段分别进行处理，获得所述关节电机的控制参数；所述指定约束条件包括：动力学约束、角速度约束、角加速度约束、以及力矩约束。

在一种可能的实现方式中，所述控制参数获取子单元，还用于基于所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，以及指定约束条件，通过规划求解器对所述N个线性工作空间路径段分别进行处理，获得所述关节电机的控制参数。

在一种可能的实现方式中，工作空间路径获取子模块，还用于基于空间路径规划方法，通过所述指定任务获取所述关节电机的所述工作空间路径，所述空间路径规划方法包括A星算法。

在一种可能的实现方式中，热流信息获取模块，包括：

电机温度获取子模块，用于基于所述外部温度，获取所述关节电机的电机温度；

热流信息获取子模块，用于基于所述电机温度以及所述外部温度，获取所述关节电机的所述热流信息。

在一种可能的实现方式中，所述热流信息获取子模块，还用于基于所述电机温度、所述外部温度、所述关节电机的绕组内阻、以及所述关节电机的电阻温度系数，获取所述关节电机的所述热流信息。

在一种可能的实现方式中，所述电机温度获取子模块，包括：

输入电流获取单元，用于获取所述关节电机的输入电流；

电机温度获取单元，用于基于所述外部温度、所述关节电机的输入电流、以及热传导模型，获取所述关节电机的电机温度。

在一种可能的实现方式中，所述热流信息获取子模块，还用于响应于所述电机温度小于电机温度阈值，基于所述电机温度以及所述外部温度，获取所述关节电机的所述热流信息。

再一方面，提供了一种机器人设备，所述机器人计算机设备包含处理器/控制器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器/控制器加载并执行以实现上述的机器人的关节电机控制方法。

又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条程序代码，所述程序代码由处理器加载并执行以实现上述机器人的关节电机控制方法。

再一方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器/控制器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器/控制器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述机器人的关节电机控制方法。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在控制关节电机的过程中，利用获取到的外部温度求得关节电机的热流信息；再基于热流信息，获得关节电机的控制参数；一方面，由于在控制关节电机的运转时，考虑到电机发热对电机运转的影响，因此，当电机的温度较低时，能够输出更大的力矩，提高关节电机的工作效率，而当电机的温度较高时，可以让电机停止运转，降低电机绕组的温度，避免关节电机在持续高负荷运转下内部器件迅速老化等问题，从而实现了在保护关节电机的同时，提升关节电机的工作效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种机器人的关节电机控制方法的流程示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种机器人的关节电机控制方法的流程示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种热传导模型模板的模型示意图；

图4是根据一示例性实施例涉及的A组的多关节机器人的各个关节力矩的仿真示意图；

图5是根据一示例性实施例涉及的B组的多关节机器人的各个关节力矩的仿真示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种机器人的关节电机控制装置的结构方框图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种机器人设备的结构框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

1)人工智能(Artificial Intelligence，AI)

人工智能是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。

人工智能技术是一门综合学科，涉及领域广泛，既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。人工智能基础技术一般包括如传感器、专用人工智能芯片、云计算、分布式存储、大数据处理技术、操作/交互系统、机电一体化等技术。人工智能软件技术主要包括计算机视觉技术、语音处理技术、自然语言处理技术以及机器学习/深度学习等几大方向。

2)关节机器人(Articulated Robot)

关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业。

3)热流(Heat Flux)

热通量，又称为热流，是指单位时间通过某一面积的热能，是具有方向性的矢量，其在国际单位制中的单位为焦耳/秒(即瓦特)。

4)约束(Constraint)

约束是对物体的运动或位置所起的限制条件。在分析力学中，约束的定义为：强加在系统上，限制其位形变化(位移)的任何事物。

5)A星算法(A-star Algorithm)

A*搜寻算法俗称A星算法。A*算法是比较流行的启发式搜索算法之一，被广泛应用于路径优化领域。它的独特之处是检查最短路径中每个可能的节点时引入了全局信息，对当前节点距终点的距离做出估计，并作为评价该节点处于最短路线上的可能性的量度。

6)局部线性化(local linearization)

局部线性化是讨论微分方程线性化的一个概念。对于微分方程系(dx/dt)＝f(t，x)，其中f(t，0)＝0，且(dx/dt)＝f(t，x)与零解的变分方程系(dx/dt)＝D f(t，0)x在原点的某邻域内拓扑等价，那么称(dx/dt)＝f(t，x)为可局部线性化。

7)数学规划求解器(Mathematical Programming Solver)

数学规划求解器是针对多种已经建立的线性、整数及各种非线性规划模型，进行算法优化的求解器。

请参考图1，其是根据一示例性实施例示出的一种机器人的关节电机控制方法的流程示意图。如图1所示，该机器人的关节电机控制方法的流程可以包括如下步骤：

步骤101，获取机器人的关节电机的外部温度，该外部温度包括环境温度和电机外壳温度的至少一种。

其中，在一种可能的实现方式中，关节电机是超声电机，而超声电机可以由配套的驱动器控制。

在另一种可能的实现方式中，关节电机是内转子表贴式电机。

本申请实施例对于关节电机的类型不做限定。

在一种可能的实现方式中，机器人是机械臂。

在一种可能的实现方式中，机器人是足式机器人。

例如，该机器人可以是液压足式机器人，并且该液压足式机器人有4个关节电机，能执行技术人员指定的任务。

在一种可能的实现方式中，上述外部温度是由预先设置在关节电机外部的温度传感器采集到的。

步骤102，基于该外部温度，获取该关节电机的热流信息；该热流信息用于指示该关节电机的电机绕组的热流。

在一种可能的实现方式中，结合外部温度以及预先设置的转化函数，可以得到关机电机的电机绕组的热流。

步骤103，基于该热流信息，获取该关节电机的控制参数。

在一种可能的实现方式中，控制参数用于控制关节电机的运动参数。

例如，运动参数可以是关节电机的关节转角、角速度、角加速度中的至少一者。

步骤104，基于该控制参数，控制该关节电机。

综上所述，在控制关节电机的过程中，利用获取到的外部温度求得关节电机的热流信息；再基于热流信息，获得关节电机的控制参数；一方面，由于在控制关节电机的运转时，考虑到电机发热对电机运转的影响，因此，当电机的温度较低时，能够输出更大的力矩，提高关节电机的工作效率，而当电机的温度较高时，可以让电机停止运转，降低电机绕组的温度，避免关节电机在持续高负荷运转下内部器件迅速老化等问题，从而实现了在保护关节电机的同时，提升关节电机的工作效率。

从仿生角度考虑，机器人的关节电机的温度相当于人的关节痛觉，温度过高将降低绕组绝缘影响励磁甚至烧毁电机，类似于人剧烈运动后关节磨损甚至永久性瘫痪，所以实际上约束电机输出的是绕组所能承受的温度上限。本申请从关节电机热传导模型出发，以绕组温度模仿人关节痛觉，在已知工作空间路径的情况下，规划机器人的各个关节电机的目标轨迹的时间曲线，当关节电机的电机绕组过热时，可以自动降低速度和输出力矩，避免关节电机损坏，在关节电机的电机温度(也称为电机绕组温度)较低时，可以提高速度和输出力矩，提高关节电机的效率。

当仅仅考虑时间最少，或考虑时间和所有关节总耗能最少的最优时，规划期对于电机特性的变化并没有适应性，当电机温度过高时，要求电机输出大力矩，很可能导致电机烧毁；当电机温度较低时，过分约束了电机力矩输出，从而限制了电机性能发挥。如果使用温度传感器直接监测绕组温度，并设定急停阈值，则将增加电机结构的复杂度并且不利于任务的持续实施。为此，本申请各个实施例所示的方案，通过建立热传导模型来估计电机绕组的温度，并基于痛觉动态调整规划曲线。

也就是说，本申请所示的方案提出：建立关节电机的热传导模型，通过热流信息来约束机器人的关节电机的运动，使得机器人根据电机绕组的温度设置合适的任务执行过程。当关节运行良好(电机温度较低)时，规划结果对应的速度、加速度较大，可持续运行时间较长；而当电机温度较高时，规划器通过减小力矩输出、降低速度、延长运行时间、均衡各关节负载，从而避免电机过热而烧毁。也即，利用电机热模型仿生关节痛觉，在轨迹规划过程中，痛觉不明显时，可以快速运行重负载任务，从而充分发挥电机性能；而当痛觉明显时，为自我保护，规划器将限制电机力矩输出，降低速度和加速度，从而保证电机安全运行不烧毁。相比于时间-能量最优轨迹规划，能够降低机器人故障率和维护成本，并提高机器人的自主性和自我保护能力。在不提高计算复杂度的前提下，通过约束热流使得规划器能适应温度变化并做出调整，从而避免温度迅速升高，温度检测模块为电机能有效避免电机过热烧毁。

请参考图2，其是根据一示例性实施例示出的一种机器人的关节电机控制方法的流程示意图。上述方法可以由机器人中的处理器执行，如图2所示，该机器人的关节电机控制方法的流程可以包括如下步骤：

步骤201，获取机器人的关节电机的外部温度，该外部温度包括环境温度和电机外壳温度的至少一种。

在一种可能的实现方式中，在机器人的外部设置有温度传感器，通过温度传感器获取机器人的外部温度。

例如，以上述机器人是足式机器人为例，在足式机器人的足部关节电机外部设置有一个温度传感器，该温度传感器可以采集足部关节电机的外壳温度。

或者，以上述机器人是足式机器人为例，在足式机器人的外部设置一个独立的温度传感器，该温度传感器用于采集机器人周围的环境温度，该环境温度由足式机器人的多个关节电机共用。

在另一种可能的实现方式中，上述外部温度可以由开发人员预先设置。例如，在一种示例性的方案中，在某些对温度控制要求较高的场景中，需要将关节电机的环境温度严格控制某个较小的温度范围内，对此，开发人员可以直接基于该机器人运行的温度范围确定一个固定的外部温度。

步骤202，基于该外部温度，获取该关节电机的电机温度。

在本申请实施例中，可以借助于热传导模型，基于外部温度获取关节电机的电机温度。

在一种可能的实现方式中，获取该关节电机的输入电流；基于该外部温度、该关节电机的输入电流、以及热传导模型，获取该关节电机的电机温度。

在一种示例性的方案中，将外部温度和输入电流输入到热传导模型中，获取关节电机的电机温度。

在一种示例性的方案中，将输入电流的平方，以及外部温度一并作为输入信号，输入到热传导模型中，获取关节电机的电机温度。

例如，输入电流是2A，外部温度是24摄氏度，则输入信号可以是4，以及24摄氏度。

在一种可能的方式中，通过热传导模型来得到电机温度的原理可以参考图3，其示出了本申请实施例涉及的热传导模型的示意图，整个热传导模型可以用以下公式来表示：

T₁(t)≤T_u

其中，T₁、T₂、T_a和T_u分别表示电机温度、外壳温度、环境温度和电机温度上限，R₁、R₂、C₁和C₂分别表示电机绕组到外壳的热阻、外壳到环境的热阻、绕组端热容和环境热容。P_e表示导致绕组发热的热流，其主要来源于电流对应的力矩做功。

将上述热传导模型加入时间最优规划问题中，直接优化得到关节电机的轨迹能够实现轨迹随温度变化而调整。相比于相关技术而言，该热传导模型同时考虑了发热和散热，适用性更广。

在一种可能的实现方式中，通过外部温度传感器测量环境温度/电机外壳温度，再利用机器人内部的电流传感器测量输入电流，利用上述公式形成输入信号为i²、输出为电机温度T₁的二阶模型，最后估计电机温度。与内置温度传感器相比，该方式能够有效简化内部结构和降低成本。

步骤203，基于该电机温度以及该外部温度，获取该关节电机的该热流信息。

在一种可能的实现方式中，获取关节电机内部的元器件参数；基于元器件参数、电机温度以及外部温度，获取关节电机的热流信息。

在一种示例性的方案中，基于该电机温度、该外部温度、该关节电机的绕组内阻、以及该关节电机的电阻温度系数，获取该关节电机的该热流信息。

在一种示例性的方案中，热流信息可以用以下公式表示：

P_e＝R₀(1+αT₁-αT_a)i²＝R₀(1+αT₁-αT_a)τ²/k_i ²

i＝τ/k_i

其中，P_e、τ、i、k_i、R₀、α、T₁、T_a分别表示电机绕组的热流、力矩、电流、转矩系数、绕组内阻、电阻温度系数、电机温度和环境温度，i表示电机绕组的电流。比如，温度每升高100℃，比例系数变化为原先的1.2倍左右。

在一种可能的实现方式中，响应于该电机温度小于电机温度阈值，基于该电机温度以及该外部温度，获取该关节电机的该热流信息。

在一种示例性的方案中，当电机温度大于电机温度阈值时，电机停止运转。

在一种示例性的方案中，当电机温度大于电机温度阈值时，电机停止运转；并且当电机温度下降到温度阈值以下时，电机重新启动，并获取当前的热流信息。

例如，电机温度阈值为30摄氏度，当电机持续运作温度超过30摄氏度时，电机停止运转，当电机温度下降至30摄氏度以下时，电机重新启动，获取当前的热流信息，并继续执行工作空间路径的规划。

在一种示例性的方案中，通过电机绕组的材料，获取电机温度阈值。

例如，电机绕组是由A材料制成，A材料在200摄氏度时，工作内阻变为原来的3倍，或者A材料在200摄氏度时会融化或者故障；此时可以将200摄氏度作为电机温度的阈值。

在一种示例性的方案中，当电机温度大于电机温度阈值时，电机停止运转；并且当电机温度下降到预设温度时，电机重新启动，并获取当前的热流信息，其中，该预设温度低于电机温度阈值。

在一种示例性的方案中，上述预设温度，可以通过电机绕组的材料来获得。比如，开发人员预先根据电机绕组的材料，设置上述预设温度。

步骤204，获取该关节电机的工作空间路径，该工作空间路径是该关节电机控制的机械组件在执行指定任务时，在空间中运动的路径。

在一种可能的实现方式中，基于空间路径规划方法，通过该指定任务获取该关节电机的该工作空间路径，该空间路径规划方法包括A星算法。

例如，指定任务是让机器人从地图上的A点穿过障碍物B到达C点，机器人将地图划分成多个小方格；依据A星算法，从A点所在的小方格开始，找到与A点相邻的所有小方格，然后再找到与这四个小方格相邻的所有小方格，以此类推，逐渐向外部扩张，直至找到C点所在的小方格；再由C点所在的小方格按着搜寻的顺序，避开B所在的小方格，反推回A点所在的小方格，得到机器人的运动路径。

在另一种可能的实现方式中，上述空间路径规划方法包括势函数法。

比如，通过势函数法来规划多关节机器人的工作空间路径时，已知机器人的起点、终点和障碍物位置的情况时，在工作空间中，利用势函数来构建一个人工势场；势函数可以是引力/斥力势函数。势函数法的工作机制为：让终点对机器人产生吸引力，障碍物对机器人产生排斥力，而任意位置上的势函数(公式)表达为引力势和斥力势之和；根据梯度下降的方法，让机器人从起点开始，不停地沿着梯度的反方向行走，直到梯度为0，便能规划出机器人的工作空间路径。

步骤205，基于该热流信息，获得该关节电机对应在该工作空间路径上的力矩能量的权重值。

在一种可能的实现方式中，权重值与力矩的增加速率成反相关。

例如，力矩每增加1牛顿/米，权重值变为原来的二分之一。

在一种可能的实现方式中，对热流信息进行预定处理，得到工作空间路径上的力矩能量的权重值。比如，将热流信息中的力矩元素去除，得到工作空间路径上的力矩能量的权重值。

在一种可能的实现方式中，通过热流信息得到工作路径上的热流，将工作路径上的热流作为工作空间路径上的力矩能量的权重值。

在一种可能的实现方式中，对于一个工作空间路径，当该工作空间路径对应的热流信息被确定后，该工作空间路径上的力矩能量的权重值也能够被确定出来。

例如，工作空间路径包括A、B两点之间的路径，在进行电机控制规划时，可以通过热流信息得到A、B两点之间的路径上的力矩能量的一个确定的权重值。

步骤206，基于局部线性化方法，对该工作空间路径进行分段，获取N个线性工作空间路径段，N为整数，且N大于或者等于1。

在一种可能的实现方式中，基于二阶泰勒展开式，对工作空间路径进行局部线性化处理，获取N个线性工作空间路径段。

由于一个完整的工作空间路径可能是非线性的，而非线性的工作空间路径不利于直接控制，本申请实施例所示的方案，将完整的工作空间路径近似的看做是由若干个线性的路径段首位相接组成的；因此，在本申请实施例中，可以先将完整的工作空间路径分段为若干个线性的工作空间路径段，以便后续针对每个线性的工作空间路径段分别进行电机控制。

步骤207，基于该关节电机对应在该工作空间路径上的力矩能量的权重值，以及指定约束条件，对该N个线性工作空间路径段分别进行处理，获得该关节电机的控制参数；该指定约束条件包括：动力学约束、角速度约束、角加速度约束、以及力矩约束。

在一种示例性的方案中，工作空间路径(s.t)包括以下约束：

τ_min≤τ≤τ_max

其中，γ、q、

τ、M、C和G分别表示关节力矩能量权重、关节转角、角速度、角加速度、关节力矩、质量矩阵、科里奥利效应、离心效应和重力，下标i表示第i个关节。各约束分别是动力学约束、关节角速度约束、关节角加速度约束、额定关节力矩约束。在相关技术中，工作空间的几何路径是确定的，这确保了关节角度不会超过运动上的物理限制，所以在该约束公式中并没有对关节角度进行约束。

在本申请实施例所示的方案中，将热流信息加入到工作空间路径的目标函数中，获取关节电机更新后的目标函数。

目标函数如下公式所示：

上述公式中：q、

t_f、s分别表示关节转角、角速度、角加速度、关节运动的时间、路径；k_i0、R_i0、α、T_i1和T_a分别表示第i个关节电机的转矩系数、第i个关节电机的绕组内阻、第i个关节电机的电阻温度系数、第i个关节电机的电机温度和第i个关节电机的环境温度，基于目标函数，可以获取关节电机输出的最大力矩。

在一种可能的实现方式中，上述力矩能量的权重值与关节电机的电机温度成正相关。

比如，关节电机对应在该工作空间路径上的力矩能量的权重值则可以用以下公式定义：

R_i0(1+αT_i1-αT_a)/k_i ²

下标i表示第i个关节。随着关节电机的电机温度增加，对应的力矩能量的权重值也增加，从而约束力矩减小，规划工作空间路径的时间将延长，避免电机温度过高。相应的，随着关节电机的电机温度降低，对应的力矩能量的权重值也降低，从而使得力矩可以增大，从而规划工作空间路径的时间将缩短，进而更快的完成任务。

在整个工作空间路径(s.t)中，目标函数、不等式约束等都为凸函数，采用局部线性化的方法，将路径分成多段，每一段用线段近似，从而对原连续变量求解问题转换为非线性变成二次凸锥优化问题，然后采用常见的开源优化求解器可以快速获取规划曲线。

在另一种可能实现的方式中，上述目标函数还可以增加加权力矩变化率项，得到以下公式：

其中，v是权重系数。目标函数是最小化“完成轨迹任务的时间”和“所付出的力矩能量”之间的折衷，参数γ越小，则要求执行时间越小，参数γ越大则要求所付出的能量越小。但为了约束力矩不要过大而损坏电机，相关技术中一种可能的做法是在约束条件中增加γ_min＜＝γ＜＝γ_max，但这种约束保守性太大，而通过本申请实施例所示的方案，只要电机温度不要过高，则输出关节电机本身的最大力矩。

在该公式中，力矩能量的权重为：

在确定运动参数的条件下，将关节力矩对时间的导数的绝对值，作为力矩变化率项；再对各个力矩变化率项求和，并乘以权重系数，得到加权力矩变化率项。加权力矩变化率项用于减少整个过程中力矩的跳变，因此，整个工作空间路径上力矩的变化会减少，规划曲线也会变的平滑。

在一种可能的实现方式中，基于该关节电机对应在该工作空间路径上的力矩能量的权重值，以及指定约束条件，通过规划求解器对该N个线性工作空间路径段分别进行处理，获得该关节电机的控制参数。

在一种示例性的方案中，通过规划求解器对该N个线性工作空间路径段分别进行处理，确定N个线性工作路径段的端点的位置；再基于该关节电机对应在该工作空间路径上的力矩能量的权重值，以及指定约束条件，计算出N个线性工作路径段上各个端点所对应的控制参数。

在一种示例性的方案中，控制参数包括：该关节电机对应在该工作空间路径的各个时间点上的力矩、该关节电机对应的角度与该各个时间点之间的对应关系、该关节电机的角速度与该各个时间点之间的对应关系、以及该关节电机的角加速度与该各个时间点之间的对应关系。

请参考表1，其示出了本申请实施例涉及的不同温度下多关节机器人的各个关节温度参数的参数表。

表1

A组表示六个关节的初始温度均为20摄氏度；B组表示在关节电机运转一段时间后，关节1、2、3的温度为120摄氏度，关节4、5、6的温度为90摄氏度。

请参考图4，其是本申请实施例涉及的A组的多关节机器人的各个关节力矩的仿真示意图。在该示意图中，纵轴表示关节力矩，横轴表示时间。

请参考图5，其是本申请实施例涉及的B组的多关节机器人的各个关节力矩的仿真示意图。在该示意图中，纵轴表示关节力矩，横轴表示时间。

通过图4、5可以看到，随着温度增加，关节电机的关节力矩减小，而电机的运动时间增加。如果希望平滑力矩曲线，则在目标函数中增加加权力矩变化率项即可。对于同一路径，温度越高，规划结果对应的力矩越小，规划时间越长。

步骤208，基于该控制参数，控制该关节电机。

在一种可能的实现方式中，将控制参数作为输入信号，传输给关节电机控制装置，并生成输出信号；直接通过输出信号控制关节电机的运动。

在一种示例性的方案中，关节电机的控制装置内部安装有机器人的下级跟踪控制系统。

此外，通过本申请实施例所示的方案，在不提高控制参数的计算复杂度的前提下，通过得到的热流信息来调节关节电机的控制参数，降低了对多关节机器人计算资源的消耗。

图6是根据一示例性实施例示出的一种机器人的关节电机控制装置的结构方框图。该机器人的关节电机控制装置可以实现图1或图2所示实施例提供的方法中的全部或部分步骤，该机器人的关节电机控制装置包括：

外部温度获取模块601，用于获取机器人的关节电机的外部温度，外部温度包括环境温度和电机外壳温度的至少一种；

热流信息获取模块602，用于基于外部温度，获取关节电机的热流信息；热流信息用于指示关节电机的电机绕组的热流；

控制参数获取模块603，用于基于热流信息，获取关节电机的控制参数；

电机控制模块604，用于基于控制参数，控制关节电机。

在一种可能的实现方式中，控制参数获取模块603，包括：

工作空间路径获取子模块，用于获取关节电机的工作空间路径，工作空间路径是关节电机控制的机械组件在执行指定任务时，在空间中运动的路径；

控制参数获取子模块，用于基于工作空间路径和热流信息，获取关节电机的控制参数。

在一种可能的实现方式中，控制参数获取子模块，包括：

权重获取单元，用于基于热流信息，获得关节电机对应在工作空间路径上的力矩能量的权重值；

控制参数获取单元，用于基于关节电机对应在工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取关节电机的控制参数；权重值与力矩的增加速率成反相关。

在一种可能的实现方式中，控制参数获取单元，还用于控制参数包括：关节电机对应在工作空间路径的各个时间点上的力矩、关节电机对应的角度与各个时间点之间的对应关系、关节电机的角速度与各个时间点之间的对应关系、以及关节电机的角加速度与各个时间点之间的对应关系。

在一种可能的实现方式中，控制参数获取单元，包括：

局部线性处理子单元，用于基于局部线性化方法，对工作空间路径进行分段，获取N个线性工作空间路径段，N为整数，且N大于或者等于1；

控制参数获取子单元，用于基于N个线性工作空间路径段，以及关节电机对应在工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取关节电机的控制参数。

在一种可能的实现方式中，控制参数获取子单元，还用于基于关节电机对应在工作空间路径上的力矩能量的权重值，以及指定约束条件，对N个线性工作空间路径段分别进行处理，获得关节电机的控制参数；指定约束条件包括：动力学约束、角速度约束、角加速度约束、以及力矩约束。

在一种可能的实现方式中，控制参数获取子单元，还用于基于关节电机对应在工作空间路径上的力矩能量的权重值，以及指定约束条件，通过规划求解器对N个线性工作空间路径段分别进行处理，获得关节电机的控制参数。

在一种可能的实现方式中，工作空间路径获取子模块，还用于基于空间路径规划方法，通过指定任务获取关节电机的工作空间路径，空间路径规划方法包括A星算法。

在一种可能的实现方式中，热流信息获取模块602，包括：

电机温度获取子模块，用于基于外部温度，获取关节电机的电机温度；

热流信息获取子模块，用于基于电机温度以及外部温度，获取关节电机的热流信息。

在一种可能的实现方式中，所述权重值与所述电机温度成正相关。

在一种可能的实现方式中，热流信息获取子模块，还用于基于电机温度、外部温度、关节电机的绕组内阻、以及关节电机的电阻温度系数，获取关节电机的热流信息。

在一种可能的实现方式中，电机温度获取子模块，包括：

输入电流获取单元，用于获取关节电机的输入电流；

电机温度获取单元，用于基于外部温度、关节电机的输入电流、以及热传导模型，获取关节电机的电机温度。

在一种可能的实现方式中，热流信息获取子模块，还用于响应于电机温度小于电机温度阈值，基于电机温度以及外部温度，获取关节电机的热流信息。

综上所述，在控制关节电机的过程中，利用获取到的外部温度求得关节电机的热流信息；再基于热流信息，获得关节电机的控制参数；一方面，由于在控制关节电机的运转时，考虑到电机发热对电机运转的影响，因此，当电机的温度较低时，能够输出更大的力矩，提高关节电机的工作效率，而当电机的温度较高时，可以让电机停止运转，降低电机绕组的温度，避免关节电机在持续高负荷运转下内部器件迅速老化等问题，从而实现了在保护关节电机的同时，提升关节电机的工作效率；另一方面，在不提高控制参数的计算复杂度的前提下，通过得到的热流信息来调节关节电机的控制参数，降低了多关节机器人计算资源的消耗。

图7是根据一示例性实施例示出的一种机器人的结构示意图。该机器人可以实现为上述各个方法实施例中的机器人。所述机器人700包括处理器/控制器701、存储器702。所述机器人700还包括一个或多个关节电机703，该一个或多个关节电机用于带动机器人700的一个或多个关节对应的机械组件活动。机器人700还包括关节电机703对应的电流传感器704以及温度传感器705。电流传感器704和温度传感器705分别与处理器/控制器701电性相连。

存储器702及其相关联的计算机可读介质为机器人700提供非易失性存储。

不失一般性，所述计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。当然，本领域技术人员可知所述计算机存储介质不局限于上述几种。

所述存储器还包括一个或者一个以上的程序，所述一个或者一个以上程序存储于存储器中，处理器/控制器701通过执行该一个或一个以上程序来实现图1或图2所示的方法的全部或者部分步骤。

在示例性实施例中，还提供了一种包括指令的非临时性计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有至少一条程序代码，例如包括计算机程序(指令)，上述至少一条程序代码可由处理器/控制器执行以完成本申请各个实施例所示的方法。例如，所述非临时性计算机可读存储介质可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、磁带、软盘和光数据存储设备等。

在示例性实施例中，还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各个实施例所示的方法。

从应用角度来说，本申请提出了一种机器人的关节电机控制方案，可以应用于多关节机器人，包括但不限于：机械臂、足式机器人等。本申请对此不设限制。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种机器人的关节电机控制方法，其特征在于，所述方法包括：

基于所述外部温度，获取所述关节电机的热流信息，所述热流信息用于指示所述关节电机的电机绕组的热流；

获取所述关节电机的工作空间路径，所述工作空间路径是所述关节电机控制的机械组件在执行指定任务时，在空间中运动的路径；

基于所述热流信息，获得所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值；

基于所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取所述关节电机的控制参数；所述权重值与力矩能量的增加速率成反相关；

基于所述控制参数，控制所述关节电机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制参数包括：

所述关节电机对应在所述工作空间路径的各个时间点上的力矩、所述关节电机对应的角度与所述各个时间点之间的对应关系、所述关节电机的角速度与所述各个时间点之间的对应关系、以及所述关节电机的角加速度与所述各个时间点之间的对应关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取所述关节电机的控制参数，包括：

基于局部线性化方法，对所述工作空间路径进行分段，获取N个线性工作空间路径段，N为整数，且N大于或者等于1；

基于所述N个线性工作空间路径段，以及所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取所述关节电机的所述控制参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述N个线性工作空间路径段，以及所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取所述关节电机的所述控制参数，包括：

基于所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，以及指定约束条件，对所述N个线性工作空间路径段分别进行处理，获得所述关节电机的所述控制参数；

所述指定约束条件包括：动力学约束、角速度约束、角加速度约束、以及力矩约束。

5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述获取所述关节电机的工作空间路径，包括：

基于空间路径规划方法，通过所述指定任务获取所述关节电机的所述工作空间路径，所述空间路径规划方法包括A星算法。

6.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述基于所述外部温度，获取所述关节电机的热流信息，包括：

基于所述外部温度，获取所述关节电机的电机温度；

基于所述电机温度以及所述外部温度，获取所述关节电机的所述热流信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述权重值与所述电机温度成正相关。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述电机温度以及所述外部温度，获取所述关节电机的所述热流信息，包括：

基于所述电机温度、所述外部温度、所述关节电机的绕组内阻、以及所述关节电机的电阻温度系数，获取所述关节电机的所述热流信息。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述外部温度，获取所述关节电机的电机温度，包括：

获取所述关节电机的输入电流；

基于所述外部温度、所述关节电机的输入电流、以及热传导模型，获取所述关节电机的电机温度。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述电机温度以及所述外部温度，获取所述关节电机的所述热流信息，包括：

响应于所述电机温度小于电机温度阈值，基于所述电机温度以及所述外部温度，获取所述关节电机的所述热流信息。

11.一种机器人的关节电机控制装置，其特征在于，所述装置用于所述机器人的关节电机，所述装置包括：

热流信息获取模块，用于基于所述外部温度，获取所述关节电机的热流信息，所述热流信息用于指示所述关节电机的电机绕组的热流；

控制参数获取模块，用于获取所述关节电机的工作空间路径，所述工作空间路径是所述关节电机控制的机械组件在执行指定任务时，在空间中运动的路径；基于所述热流信息，获得所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值；基于所述关节电机对应在所述工作空间路径上的力矩能量的权重值，获取所述关节电机的控制参数；所述权重值与力矩能量的增加速率成反相关；

12.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包含处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至10任一所述的机器人的关节电机控制方法。

13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如权利要求1至10任一所述的机器人的关节电机控制方法。