CN112847327B - 一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，包括以下步骤：首先，采用扭矩反馈比例控制方法，设计内环控制算法；然后，采用比例微分控制方法，设计外环控制算法；最后，根据辨识的模型参数，设计扰动观测算法。关节控制算法由以上三步组成，根据要求的精度和动态性能调节参数。本发明不仅能使协作机器人关节具备传统工业机器人高精度运动特点，而且还能够使关节具有力控制、力位混合控制能力，使关节具有柔顺特性。方法可应用于协作机器人控制系统，增加人机协作控制功能。

Description

一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体地说是一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，特别适用于协作机器人力控制和人机交互作业。

背景技术

协作机器人，首先要保证人机交互作业过程的安全性。因此，不同于传统机器人本体具有高刚度特性，协作机器人本体应具有柔顺性。协作机器人柔顺特性可以使操作人员免受机器人本体冲击造成伤害。另外，在装配、打磨、切削等需要严格控制接触力工况中，也可采用柔顺控制技术实现。

协作机器人柔顺特性通常采用特殊机构设计与控制方法联合实现。特殊机构设计，包括在关节部安装力矩传感器和安装串联弹性机构两种方式。第一种方式，在关节输出端安装力矩传感器，可以准确测量关节输出扭矩，提供丰富信号，进而通过控制的方式实现力矩自适应的柔顺控制。此种方式，机构设计的改变对结构刚度影响不大。本体柔顺特性完全通过控制方式实现，刚度可通过控制参数来调节。这也是目前对比较适合工业应用的技术手段。另一种方式，在关节输出端安装弹性机构，通过弹性形变来测量力矩，同时通过弹性形变产生本体柔顺特性。此种方式，机构设计的改变使结构刚度变低，但使本体具有本质安全特性。这种完全靠机构实现的柔顺特性，使得本体柔软且安全，但控制精度和动态特性变差。适合与人接触较多的系统，例如医疗、康复等应用。以上两种方式各有优势，可根据应用需求和技术指标要求选择合适技术方案。本发明根据目前第一种方式存在的技术实现难点，发明一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，方法不仅能使协作机器人关节具备传统工业机器人高精度运动特点，而且还能够使关节具有力控制、力位混合控制能力，使关节具有柔顺特性。方法可应用于协作机器人控制系统，增加人机协作控制功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，该方法在保证协作机器人关节具备高精度运动特点的同时，使关节具有力控制、力位混合控制的能力，实现关节的柔顺特性。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采用扭矩反馈比例控制方法构建内环控制，得到内环转矩反馈控制力矩τ_t；

步骤2：采用比例微分控制方法构建外环控制，得到阻抗控制力矩τ_d；

步骤3：根据辨识的模型参数设计扰动观测器以及PID控制器，得到扰动补偿力矩

步骤4：将内环转矩反馈控制力矩τ_t、阻抗控制力矩τ_d以及含有扰动补偿力矩

的前馈补偿力矩三者叠加，输入给电机系统进行控制，实现协作机器人关节的柔顺控制。

步骤1具体如下：

首先利用关节力矩传感器测量关节所受实际外力矩τ_e，再利用离线辨识方法得到关节所受重力矩τ_g，二者做差得到力矩反馈误差Δτ，进而得到内环转矩反馈控制力矩τ_t，计算公式为：

τ_t＝-K_tΔτ＝-K_t(τ_e-τ_g)

其中：K_t为正定的比例系数。

步骤2具体如下：

利用位置和速度传感器测量得到关节的实际位置q和速度

并分别与目标位置q_d和速度

做差，得到位置误差Δq和速度误差

计算阻抗控制力矩τ_d：

其中：K表示刚度系数，B表示阻尼系数。

步骤3具体如下：

扰动补偿力矩

通过以下公式得到：

其中，C(s)为PID控制器的输出值，K_p、K_I和K_d分别为比例、积分和微分系数，q_nr为由柔顺控制方法生成并输入给电机动力学模型后得到的理想输出，观测误差e_nr＝q_nr-q，q为关节的实际位置。

步骤4中前馈补偿力矩为关节所受重力矩τ_g与扰动补偿力矩

的叠加。

所述步骤1中，分为阻抗控制和零力控制两种工作情况：当阻抗控制力矩非零时，即τ_d≠0，为阻抗控制模式，此时关节对外表现出柔性；当阻抗控制力矩为零时，即τ_d＝0，为零力控制模式，此时实现拖动示教功能。

所述扰动观测器的电机动力学模型通过辨识的方法得出，扰动观测器用于观测实际输出与理想输出的差值，并通过设计控制律计算扰动补偿力矩。

调节比例系数和微分系数即可调节刚度系数和阻尼系数，刚度系数和阻尼系数由工作任务确定，为常数或者时变参数。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明设计的阻抗控制算法，能够通过调节参数的方式实现对关节刚度和阻尼的调节，刚度和阻尼可由具体工作任务最优确定，可以是常数，也可以为时变参数。进而实现关节柔顺特性；

2.本发明设计的转矩反馈控制算法，可以在原理上重塑电机的转动惯量，将惯量调节至期望大小；

3.本发明设计的转矩反馈控制算法，可以补偿关节摩擦力矩和未建模动力学干扰；

4.本发明设计的扰动观测算法，可实时估计动态扰动阻力矩，结合控制算法，可实现动态扰动抑制，提高关节控制精度与动态响应能力。

附图说明

图1为本发明的基于转矩反馈的柔顺控制框图；

图2为本发明中柔顺控制算法与常规控制算法的控制精度对比图。

具体实施方式

本发明的用于协作机器人关节的柔顺控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采用扭矩反馈比例控制方法，设计内环控制算法。内环控制可以补偿关节摩擦力矩和未建模动力学干扰阻力矩。根据动力学模型在线估计重力矩，再通过前馈的方式将估计的重力矩补偿到控制输入。采用此方法，可以使机器人关节具有扭矩反馈功能，既机器人关节能够被很小的外力轻易扭转，并且可以扭转至任意位置。

步骤2：采用位置/速度反馈比例微分控制方法，设计外环控制算法。结合步骤1的内环控制方法，使机器人关节具有阻抗特性，既使机器人关节具有柔顺特性。通过调节比例和微分系数，可直接调节关节的刚度与阻尼。

步骤3：根据辨识的模型参数和电流与扭矩反馈，采用基于模型的状态估计方法设计扰动观测算法。观测算法在线估计扰动力矩，以前馈方式补偿到控制输入。增加此方法能够平衡扰动引起控制输入的改变量，从而达到扰动抑制效果。

根据上述步骤得到内环(即内环转矩反馈控制力矩τ_t)、外环(即阻抗控制力矩τ_d)和扰动补偿力矩

将三个力矩叠加即可得到最终由控制算法生成并输入给电机的力矩，实现机器人关节的高精度柔顺控制。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的基于转矩反馈的柔顺控制框图。

步骤1：采用内环转矩反馈的方法，补偿关节摩擦力矩和未建模动力学干扰。其具体实施方式为，首先利用关节力矩传感器测量关节所受实际外力矩τ_e，再利用离线辨识方法得到系统模型估计出关节所受重力矩τ_g，二者做差可得力矩反馈误差Δτ，则内环转矩比例控制器可设计为：

τ_t＝-K_tΔτ＝-K_t(τ_e-τ_g)

其中：K_t为正定的比例系数，τ_t为内环转矩反馈控制力矩。

步骤2：采用比例微分控制方法，设计外环控制算法，实现机器人关节的阻抗控制。其具体实施方式为：利用位置/速度传感器测得关节实际位置q和速度

并与期望的位置q_d和速度

做差，可得位置误差Δq和速度误差

根据“弹簧-质量-阻尼”模型，并忽略关节惯性影响，设计阻抗控制律：

其中：K表示刚度系数，B表示阻尼系数，τ_d为阻抗控制力矩。

步骤3：根据辨识的模型参数，设计扰动观测器。其中，P_n(s)为通过辨识的方法的得到的电机理想动力学模型，q_nr为由本发明的控制方法生成并输入给电机标称模型后得到的理想输出，e_nr＝q_nr-q为观测误差，C(s)按照PID形式定义为：

则扰动补偿力矩

为：

其中，K_p、K_I和K_d分别为比例、积分和微分系数，C(s)为控制器PID。通过综合调节这三个参数，使扰动估计的准确度和响应速度达到理想状况。

所述步骤1，所述控制方法可以分为阻抗控制和零力控制两种工作情况：当阻抗在控制率非零时，即τ_d≠0，为阻抗控制模式，此时关节对外表现出柔性；当阻抗控制率为零时，即τ_d＝0，为零力控制模式，此时可以实现拖动示教功能。

所述步骤2，调节比例系数K和微分系数B即可在算法层调节关节刚度和阻尼，关节刚度和阻尼系数可由具体工作任务最优确定，可以是常数，也可以为时变参数。

所述步骤3，P_n(s)为关节动力学模型，通常近似为一阶滞后模型，模型能够描述常规运动特性。由减速器非线性、迟滞等引入的非常规动态特性，不能由模型准确描述，属于步骤1中所述未建模动力学干扰。

所述用于协作机器人关节的柔顺控制方法中，生成并输入给电机的力矩由内环、外环和扰动补偿力矩三部分叠加而成。其中，内环力矩包括力矩反馈和估计的负载重力矩组成，负载重力矩根据所辨识模型由估计方法得到。外环力矩根据刚度和阻尼柔顺特性生成。其他扰动力矩由扰动观测器估计得到并对控制输入进行补偿。

本发明的效果通过以下实验进一步说明。

应用这种方法在协作机器人单个关节上进行实验研究，结果如图2所示，其中实线和虚线分别表示关节柔顺控制方法中采用观测器(本发明方法)和不采用观测器的结果。对比发现：这种方法可以在关节柔顺控制中有效抑制系统外扰动，将稳态精度由原来0.03°提高到0.004°，增强了系统抗扰动能力。

以上描述仅是本发明的具体实例，未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用扭矩反馈比例控制方法构建内环控制，得到内环转矩反馈控制力矩τ_t；

步骤2：采用比例微分控制方法构建外环控制，得到阻抗控制力矩τ_d；

步骤3：根据辨识的模型参数设计扰动观测器以及PID控制器，得到扰动补偿力矩

步骤4：将内环转矩反馈控制力矩τ_t、阻抗控制力矩τ_d以及含有扰动补偿力矩

的前馈补偿力矩三者叠加，输入给电机系统进行控制，实现协作机器人关节的柔顺控制；

步骤1具体如下：

首先利用关节力矩传感器测量关节所受实际外力矩τ_e，再利用离线辨识方法得到关节所受重力矩τ_g，二者做差得到力矩反馈误差Δτ，进而得到内环转矩反馈控制力矩τ_t，计算公式为：

τ_t＝-K_tΔτ＝-K_t(τ_e-τ_g)

其中：K_t为正定的比例系数；

步骤2具体如下：

利用位置和速度传感器测量得到关节的实际位置q和速度

并分别与目标位置q_d和速度

做差，得到位置误差Δq和速度误差

计算阻抗控制力矩τ_d：

其中：K表示刚度系数，B表示阻尼系数；

步骤3具体如下：

扰动补偿力矩

通过以下公式得到：

其中，C(s)为PID控制器的输出值，K_p、K_I和K_d分别为比例、积分和微分系数，q_nr为由柔顺控制方法生成并输入给电机动力学模型后得到的理想输出，观测误差e_nr＝q_nr-q，q为关节的实际位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，步骤4中前馈补偿力矩为关节所受重力矩τ_g与扰动补偿力矩

的叠加。

3.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，所述步骤1中，分为阻抗控制和零力控制两种工作情况：当阻抗控制力矩非零时，即τ_d≠0，为阻抗控制模式，此时关节对外表现出柔性；当阻抗控制力矩为零时，即τ_d＝0，为零力控制模式，此时实现拖动示教功能。

4.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，所述扰动观测器的电机动力学模型通过辨识的方法得出，扰动观测器用于观测实际输出与理想输出的差值，并通过设计控制律计算扰动补偿力矩。

5.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，调节比例系数和微分系数即可调节刚度系数和阻尼系数，刚度系数和阻尼系数由工作任务确定，为常数或者时变参数。

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