CN113459097A - 无传感器柔性拉线阻抗控制方法、装置、介质及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无传感器柔性拉线阻抗控制方法、装置、介质及电子设备，该方法包括记录预定时间内匀速拉伸柔性拉线时驱动装置反馈的电流，根据驱动装置反馈的电流按照第一预定数学模型计算初始控制量的第一反馈值；根据驱动装置反馈的速度和负载的重量按照第二预定数学模型计算初始控制量的第二反馈值；根据驱动装置反馈的速度和和电流按照第三预定数学模型计算初始控制量的第三反馈值；根据预定时间内采集的位置编码器的阈值与预设阈值的比较结果来计算第四反馈值；根据第一反馈值、第二反馈值、第三反馈值和第四反馈值对初始控制量进行补偿后驱动所述驱动装置拉伸柔性拉线。本发明提高了系统控制的可靠性，降低了系统控制成本。

Description

无传感器柔性拉线阻抗控制方法、装置、介质及电子设备

技术领域

本发明柔性控制技术领域，特别涉及一种无传感器柔性拉线阻抗控制方法、装置、介质及电子设备。

背景技术

在机器人控制领域柔性拉线被广泛应用于各类关节驱动的场合，并以其执行机构与驱动动力可以分开放置、驱动柔性的特点而越来越受到广大开发者的喜爱。执行机构与驱动动力分离，可以有效降低机器人关节惯量和重量，对改善机器人控制性能有重大帮助。

目前常用的柔性拉线阻抗控制方法主要通过末端加装拉力传感器来实现，该方法的弊端是不但会增加成本而且会造成系统的可靠性降低，同时增加了系统的复杂度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于增加系统可靠性、降低成本的无传感器柔性拉线阻抗控制方法。

本发明的第二目的在于提供一种无传感器柔性拉线阻抗控制装置。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种电子设备。

为实现上述目的，本发明提供一种无传感器柔性拉线阻抗控制方法，包括：

记录预定时间内匀速拉伸柔性拉线时驱动装置反馈的电流，根据驱动装置反馈的电流按照第一预定数学模型计算初始控制量的第一反馈值；

根据驱动装置反馈的速度和负载的重量按照第二预定数学模型计算初始控制量的第二反馈值；

根据驱动装置反馈的速度和和电流按照第三预定数学模型计算初始控制量的第三反馈值；

根据预定时间内采集的位置编码器的阈值与预设阈值的比较结果来计算第四反馈值；

根据所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值和所述第四反馈值对所述初始控制量进行补偿后驱动所述驱动装置拉伸柔性拉线。

进一步，还包括将所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值、所述第四反馈值和初始控制量按照第四预定数学模型转化为驱动所述驱动装置补偿控制量，其中所述第四数学模型为：

I_d＝F*r*1/ke，

其中，I_d为驱动电流，F为拉力，ke为转矩系数，r为拉线轮的轮径。

进一步，还包括柔性拉线的刚度、阻尼和惯量按照第五数学模型计算所述初始控制量，其中所述第五数学模型为：

F₁＝ms²+ζs+k,

其中，所述初始控制量为F₁，F₁为拉力，m为惯量，s为拉普拉斯变化符号，k为刚度，ζ为阻尼。

进一步，所述第一反馈值为拉力Fg，所述第一预定数学模型为：

其中，k_t为转矩系数，I(t)为反馈电流，t为所述预定时间。

进一步，所述第二反馈值为拉力F₂，所述第二预定数学模型为：

F₂＝sign(v)*m*m*e^v

其中，v为反馈速度，m为负载质量，e为常数。

进一步，

本发明第二方面提供一种无传感器柔性拉线阻抗控制装置，包括：

第一补偿模块，用于记录预定时间内匀速拉伸柔性拉线时驱动装置反馈的电流，根据驱动装置反馈的电流按照第一预定数学模型计算初始控制量的第一反馈值；

第二补偿模块，根据驱动装置反馈的速度和负载的重量按照第二预定数学模型计算初始控制量的第二反馈值；

第三补偿模块，根据驱动装置反馈的速度和和电流按照第三预定数学模型计算初始控制量的第三反馈值；

第四补偿模块，用于根据预定时间内采集的位置编码器的阈值与预设阈值的比较结果来计算第四反馈值；

驱动控制模块，用于根据所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值和所述第四反馈值对所述初始控制量进行补偿后驱动所述驱动装置拉伸柔性拉线。

本发明第三方面提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；以及

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1～6中任意一项所述的方法。

本发明第四方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法。

本发明基于无传感器进行设计对初始控制量分别进行负载补偿、摩擦力补偿、惯量补偿和启动力矩补偿，提高了系统控制的可靠性，降低了系统控制成本。

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，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例无传感器柔性拉线阻抗控制方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例的无传感器柔性拉线阻抗控制方法的反馈控制示意图；

图3为本发明一实施例的无传感器柔性拉线阻抗控制装置的方框示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

图1示出了本发明一实施例无传感器柔性拉线阻抗控制方法的流程示意图。

如图1所示，无传感器柔性拉线阻抗控制方法包括：

步骤S100：记录预定时间内匀速拉伸柔性拉线时驱动装置反馈的电流，根据驱动装置反馈的电流按照第一预定数学模型计算初始控制量的第一反馈值。

其中，所述第一反馈值为拉力Fg，所述第一预定数学模型为：

其中，k_t为转矩系数，I(t)为反馈电流，t为所述预定时间。

由于本实施例采用无传感器设计，则需要对负载进行预估，步骤S100为负载预估补偿的流程。

步骤S110：根据驱动装置反馈的速度和负载的重量按照第二预定数学模型计算初始控制量的第二反馈值。其中，所述第二反馈值为拉力F₂，所述第二预定数学模型为：

F₂＝sign(v)*m*m*e^v

其中，v为反馈速度，m为负载质量，e为常数。

步骤S110为对摩擦力的补偿流程，通过动态拉伸试验建立动摩擦力与拉线速度、正压力(负载相关)以及拉线方向的拟合数学模型并叠加至输出力端。

步骤S120：根据驱动装置反馈的速度和和电流按照第三预定数学模型计算初始控制量的第三反馈值。其中，步骤S120为惯量补偿的流程，通过动态拉伸试验建立惯性补偿力与拉线加速度之间的增益方程并叠加至输出力端。

步骤S130：根据预定时间内采集的位置编码器的阈值与预设阈值的比较结果来计算第四反馈值。其中，步骤S130为启动力矩补偿流程，初始拉伸拉线时由于静摩擦力的影响会导致初始启动力矩较大。方法：由于初始静摩擦力的作用导致无传感器模式下拉拽拉线时电流变化较小不能作为启动补偿的依据，经过观察发现初始拉拽时电机编码器端比较敏感可以作为启动静摩擦补偿的依据，设定静止时编码器变化阈值，当超过阈值时通过施加脉冲主动助力，克服静摩擦力完成启动过程。启动初期当拉线挂上负载时，电机端由于受负载力的反拖会导致电机自带的位置编码器的值发生微小的变动，而这个变动与没有负载力时有明显区别，所以利用该变动判断负载加载在了柔性拉线上从而通过设定该位置编码器变动到一定的阈值(根据实际负载设定该阈值)得到启动力矩补偿信号，电机主动以较大力矩进行旋转克服静摩擦力后，判断电机编码器在设定值下连续保持在预设阈值一段时间后认为完成启动过程已经克服了静摩擦力，停止在电机指令中叠加启动力矩补偿项。

步骤S140：根据所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值和所述第四反馈值对所述初始控制量进行补偿后驱动所述驱动装置拉伸柔性拉线。

该方法基于无传感器进行设计对初始控制量分别进行负载补偿、摩擦力补偿、惯量补偿和启动力矩补偿，提高了系统控制的可靠性，降低了系统控制成本。

在本发明一实施例中，还包括将所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值、所述第四反馈值和初始控制量按照第四预定数学模型转化为驱动所述驱动装置补偿控制量，其中所述第四数学模型为：

I_d＝F*r*1/ke，

其中，I_d为驱动电流，F为拉力，ke为转矩系数，r为拉线轮的轮径。

在本发明一实施例中，还包括柔性拉线的刚度、阻尼和惯量按照第五数学模型计算所述初始控制量，其中所述第五数学模型为：

F₁＝ms²+ζs+k,

其中，所述初始控制量为F₁，F₁为拉力，m为惯量，s为拉普拉斯变化符号，k为刚度，ζ为阻尼。

在本发明一实施例中，根据预定时间内采集的位置编码器的阈值与预设阈值的比较结果来计算第四反馈值包括：

按照设定值控制驱动装置运转并记录预定时间内位置编码器反馈的位置值；

将反馈的位置值与预设阈值进行比较，在所述预定时间内所述反馈的位置值保持与所述预设阈值相等时，将所述预定时间内设定的设定值作为所述第四反馈阈值输出。

本发明实施例无传感器柔性拉线阻抗控制方法的各种补偿反馈控制参见图2。

图3示出了本发明一实施例的无传感器柔性拉线阻抗控制装置的方框示意图。

如图3所示，无传感器柔性拉线阻抗控制装置300包括第一补偿模块310、第二补偿模块320、第三补偿模块330、第四补偿模块340和驱动控制模块350。

第一补偿模块310，用于记录预定时间内匀速拉伸柔性拉线时驱动装置反馈的电流，根据驱动装置反馈的电流按照第一预定数学模型计算初始控制量的第一反馈值；

第二补偿模块320，根据驱动装置反馈的速度和负载的重量按照第二预定数学模型计算初始控制量的第二反馈值；

第三补偿模块330，根据驱动装置反馈的速度和和电流按照第三预定数学模型计算初始控制量的第三反馈值；

第四补偿模块340，用于

驱动控制模块350，用于根据所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值和所述第四反馈值对所述初始控制量进行补偿后驱动所述驱动装置拉伸柔性拉线。

根据本发明的实施例，该控制装置300可以用于实现图1实施例描述的驱动控制方法。

由于本发明的示例实施例的驱动控制装置300的各个模块可以用于实现上述的控制方法的示例实施例的步骤，因此对于本发明装置实施例中未披露的细节，请参照本发明上述的控制方法的实施例。

可以理解的是，第一补偿模块310、第二补偿模块320、第三补偿模块330、第四补偿模块340和驱动控制模块350可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本发明的实施例，第一补偿模块310、第二补偿模块320、第三补偿模块330、第四补偿模块340和驱动控制模块350中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以以对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。或者，的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该程序被计算机运行时，可以执行相应模块的功能。

上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。

本发明还提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；以及

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。

本发明还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述的方法。

需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中所述的无传感器柔性拉线阻抗控制方法。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、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发明的一般性原理并包括本发明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，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明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。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种无传感器柔性拉线阻抗控制方法，其特征在于，包括：

记录预定时间内匀速拉伸柔性拉线时驱动装置反馈的电流，根据驱动装置反馈的电流按照第一预定数学模型计算初始控制量的第一反馈值；

根据驱动装置反馈的速度和负载的重量按照第二预定数学模型计算初始控制量的第二反馈值；

根据驱动装置反馈的速度和和电流按照第三预定数学模型计算初始控制量的第三反馈值；

根据预定时间内采集的位置编码器的阈值与预设阈值的比较结果来计算第四反馈值；

根据所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值和所述第四反馈值对所述初始控制量进行补偿后驱动所述驱动装置拉伸柔性拉线。

2.如权利要求1所述的无传感器柔性拉线阻抗控制方法，其特征在于，还包括将所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值、所述第四反馈值和初始控制量按照第四预定数学模型转化为驱动所述驱动装置补偿控制量，其中所述第四数学模型为：

I_d＝F*r*1/ke，

其中，I_d为驱动电流，F为拉力，ke为转矩系数，r为拉线轮的轮径。

3.如权利要求1所述的无传感器柔性拉线阻抗控制方法，其特征在于，还包括柔性拉线的刚度、阻尼和惯量按照第五数学模型计算所述初始控制量，其中所述第五数学模型为：

F₁＝ms²+ζs+k,

其中，所述初始控制量为F₁，F₁为拉力，m为惯量，s为拉普拉斯变化符号，k为刚度，ζ为阻尼。

4.如权利要求1所述的无传感器柔性拉线阻抗控制方法，其特征在于，所述第一反馈值为拉力Fg，所述第一预定数学模型为：

其中，k_t为转矩系数，I(t)为反馈电流，t为所述预定时间。

5.如权利要求1所述的无传感器柔性拉线阻抗控制方法，其特征在于，所述第二反馈值为拉力F₂，所述第二预定数学模型为：

F₂＝sign(v)*m*m*e^v

其中，v为反馈速度，m为负载质量，e为常数。

6.如权利要求1所述的无传感器柔性拉线阻抗控制方法，其特征在于，根据预定时间内采集的位置编码器的阈值与预设阈值的比较结果来计算第四反馈值包括

按照设定值控制驱动装置运转并记录预定时间内位置编码器反馈的位置值；

将反馈的位置值与预设阈值进行比较，在所述预定时间内所述反馈的位置值保持与所述预设阈值相等时，将所述预定时间内设定的设定值作为所述第四反馈阈值。

7.一种无传感器柔性拉线阻抗控制装置，其特征在于，包括：

第一补偿模块，用于记录预定时间内匀速拉伸柔性拉线时驱动装置反馈的电流，根据驱动装置反馈的电流按照第一预定数学模型计算初始控制量的第一反馈值；

第二补偿模块，根据驱动装置反馈的速度和负载的重量按照第二预定数学模型计算初始控制量的第二反馈值；

第三补偿模块，根据驱动装置反馈的速度和和电流按照第三预定数学模型计算初始控制量的第三反馈值；

第四补偿模块，用于

驱动控制模块，用于根据所述第一反馈值、所述第二反馈值、所述第三反馈值和所述第四反馈值对所述初始控制量进行补偿后驱动所述驱动装置拉伸柔性拉线。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；以及

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1～6中任意一项所述的方法。

9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现根据权利要求1～6中任意一项所述的方法。

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