CN112959362B - 一种基于关节扭矩传感器的外力观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于关节扭矩传感器的外力观测方法，包括：步骤S1，在机器人关节端安装关节力矩传感器，获取关节力矩传感器测量值τ，根据所述关节力矩传感器测量值计算得到关节传导力矩τk；步骤S2，设计实际关节运行模型，设科氏力、摩擦力、重力统一表示为
传导力矩τk减去模型力
再加上环境外力τext即为用于关节加减速的惯性力，即动量微分
然后进行积分得到关节动量p，结合关节惯量M得到关节速度
其中，τext为所受外力；步骤S3，设计外力扰动观测器。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于关节扭矩传感器的外力观测方法。
背景技术
传统外力计算方法有两种，一种是根据动力学模型及电机力矩反馈直接计算外力值，另一种是使用电机力矩反馈作为输入设计外力观测器计算外力，首先第一种方法直接计算外力τext需要计算加速度
和电机端加速度
使用编码器差分位置计算加速度噪声很大，无法准确计算出外力。
第二种使用电机力矩反馈作为外力观测器的输入，关节端和电机端使用同一个编码器测量转角，因此
和
合并，然后设计动量偏差观测器求解外力，该方法首先将转子惯性力和关节端惯性力合并处理，引入了噪声，其次电机电磁转矩噪声大且分辨率低，导致外力观测的精度很差。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于关节扭矩传感器的外力观测方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于关节扭矩传感器的外力观测方法，包括如下步骤：
步骤S1，在机器人关节端安装关节力矩传感器，获取关节力矩传感器测量值τ，根据所述关节力矩传感器测量值计算得到关节传导力矩τk；
步骤S2，设计实际关节运行模型，设科氏力、摩擦力、重力统一表示为
传导力矩τk减去模型力
再加上环境外力τext即为用于关节加减速的惯性力，即动量微分
然后进行积分得到关节动量p，结合关节惯量M得到关节速度
其中，τext为所受外力；
步骤S3，设计外力扰动观测器，包括：
步骤S31,输入为关节传导力矩τk；
步骤S32，设
为根据关节速度、位置以及动力学模型计算得到的科氏力、摩擦力、重力的观测值；
步骤S33,设
为根据关节速度及动力学模型计算得到的动量观测值pm；
步骤S34，设r为环境外力观测值；τm为电机电磁转矩，τf为摩擦力矩；
上述合力组合后得到动量微分的观测值
积分得到动量观测值
然后和步骤S33中的计算值做差，乘系数K后作为步骤S34中的环境外力观测值反馈到输入中。
进一步，在所述步骤S1中，所述计算得到关节传导力矩τk，包括如下步骤：
其中，τ为关节力矩传感器测量值，τk为谐波传感器弹簧阻尼模型的传导转矩。
根据本发明实施例的基于关节扭矩传感器的外力观测方法，使用关节力矩传感器计算传导力矩τk的方法，观测关节外力在串联机器人上的应用。本发明使用关节力矩传感器作为反馈输入，相比较传统电机电流输入，精度更高。并且，关节力矩传感器的使用避免了电机转子模型的影响，提升了外力识别的准确性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于关节扭矩传感器的外力观测方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的整体扰动观测器结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的基于关节扭矩传感器的外力观测方法，包括如下步骤：
步骤S1，在机器人关节端安装关节力矩传感器，获取关节力矩传感器测量值τ，根据关节力矩传感器测量值计算得到关节传导力矩τk。
具体的，计算得到关节传导力矩τk，包括如下步骤：
其中，τ为关节力矩传感器测量值，τk为谐波传感器弹簧阻尼模型的传导转矩。
图2为整体扰动观测器结构。
步骤S2，设计实际关节运行模型，设科氏力、摩擦力、重力统一表示为
传导力矩τk减去模型力
再加上环境外力τext即为用于关节加减速的惯性力，即动量微分
然后进行积分得到关节动量p，结合关节惯量M得到关节速度
其中，τext为所受外力。
步骤S3，设计外力扰动观测器，求解外力，包括：
步骤S31,输入为关节传导力矩τk；
步骤S32，设
为根据关节速度、位置以及动力学模型计算得到的科氏力、摩擦力、重力的观测值；
步骤S33,设
为根据关节速度及动力学模型计算得到的动量观测值pm；
步骤S34，设r为环境外力观测值；τm为电机电磁转矩，τf为摩擦力矩；
上述合力组合后得到动量微分的观测值
积分得到动量观测值
然后和步骤S33中的计算值做差，乘系数K后作为步骤S34中的环境外力观测值反馈到输入中。
在本发明的实施例中，机器人关节的动力学模型：
其中M(q)为关节惯性参数阵，
为关节科氏力和向心力阵，g(q)为关节重力，τ为关节力矩传感器测量值，τk为谐波传感器弹簧阻尼模型的传导转矩，τext为所受外力，τm为电机电磁转矩，τf为摩擦力矩，B为电机转子惯量，D为谐波传感器弹簧阻尼模型的阻尼系数，K为谐波传感器弹簧阻尼模型的刚度系数，q为关节转角，θ为电机转子转角。
根据本发明实施例的基于关节扭矩传感器的外力观测方法，使用关节力矩传感器计算传导力矩τk的方法，观测关节外力在串联机器人上的应用。本发明使用关节力矩传感器作为反馈输入，相比较传统电机电流输入，精度更高。并且，关节力矩传感器的使用避免了电机转子模型的影响，提升了外力识别的准确性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (1)
1.一种基于关节扭矩传感器的外力观测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在机器人关节端安装关节力矩传感器，获取关节力矩传感器测量值τ，根据所述关节力矩传感器测量值计算得到关节传导力矩τk；其中，所述计算得到关节传导力矩τk，包括如下步骤：
其中，τ为关节力矩传感器测量值，τk为谐波传感器弹簧阻尼模型的传导转矩，即关节传导力矩；D为谐波传感器弹簧阻尼模型的阻尼系数，K为谐波传感器弹簧阻尼模型的刚度系数；
步骤S2，设计实际关节运行模型，设科氏力、摩擦力、重力统一表示为
传导力矩τk减去模型力
再加上环境外力τext即为用于关节加减速的惯性力，即动量微分
然后进行积分得到关节动量p，结合关节惯量M得到关节速度
其中，τext为所受外力；
步骤S3，设计外力扰动观测器，包括：
步骤S31,输入为关节传导力矩τk；
步骤S32，设
为根据关节速度、位置以及动力学模型计算得到的科氏力、摩擦力、重力的观测值；
步骤S33,设
为根据关节速度及动力学模型计算得到的动量观测值pm；
步骤S34，设r为环境外力观测值；τm为电机电磁转矩，τf为摩擦力矩；
利用τk、r以及
合力组合后得到动量微分的观测值
积分得到动量观测值
然后和步骤S33中的计算值做差，乘系数K后作为步骤S34中的环境外力观测值反馈到输入中。
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