CN114310874A - 协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备 - Google Patents

协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备 Download PDF

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CN114310874A
CN114310874A CN202111559025.1A CN202111559025A CN114310874A CN 114310874 A CN114310874 A CN 114310874A CN 202111559025 A CN202111559025 A CN 202111559025A CN 114310874 A CN114310874 A CN 114310874A
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王冲冲
杨桂林
陈庆盈
张拓璞
周杰
张驰
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Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
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Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
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Abstract

本申请涉及一种协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备，当参考力矩在经过内回路干扰补偿器的系统干扰补偿后，输出关节电机的驱动力矩至关节后产生关节力矩，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。通过内回路干扰补偿器对系统干扰补偿，提升了关节系统的响应特征，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型，此时，关节力矩的控制精度和关节系统的稳定性得到了明显的提升。

Description

协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备
技术领域
本申请涉及机器人控制领域，特别是涉及协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备。
背景技术
协作机器人关节通常采用重量轻、高传动比的谐波减速器以实现轻量化设计，提高本质安全性；同时，集成关节力矩传感器提高对外力的感知能力。为了实现柔顺的人机交互，协作机器人关节的力矩控制至关重要。通常情况下，协作机器人采用反馈控制的方法实现关节的力矩控制，控制框图如图1所示。其中τd为期望的关节力矩，τe为期望的关节力矩和实际关节力矩之间的偏差，τm表示关节电机的驱动力矩，τj表示关节力矩，n表示关节力矩传感器的测量噪声，d为关节受到的干扰。协作机器人的关节力矩控制器常采用简单的比例微分(PD)控制，由于非线性摩擦以及谐波减速器非线性变化的刚度、效率和传递误差等因素的影响，关节力矩的控制精度和关节系统的稳定性难以提高。
发明内容
本申请实施例提供了一种协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备，以至少解决相关技术中关节力矩的控制精度和关节系统的稳定性难以提高的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种协作机器人关节力矩控制方法，用于协作机器人的关节系统的力矩控制，包括以下步骤：
当参考力矩在经过内回路干扰补偿器的系统干扰补偿后，输出关节电机的驱动力矩至关节后产生关节力矩，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。
在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法包括以下步骤：
分析关节的动力学特性，建立关节的动力学方程，关节的动力学方程的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000011
其中，τm表示关节电机的驱动力矩，τj表示关节力矩，Jm表示换算到负载输出端的等效电机惯量，θm表示为负载输出端的电机位置，
Figure BDA0003419913920000021
表示为θm的二阶微分，K表示为刚度，τext表为负载输出端所受力矩，θ表示为电机端位置，θl表示为负载输出端位置，J1表示为负载惯量；
根据关节的动力学方程获得关节的名义力矩响应模型，所述名义力矩响应模型Pn(s)的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000022
其中，
Figure BDA0003419913920000023
表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的反谐振；
Figure BDA0003419913920000024
表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的谐振频率；Jm,n表示为电机惯量的名义值；Jl,n表示为负载惯量的名义值；Kn表示为关节刚度的名义值。
在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
获取实际关节力矩和名义模型输出力矩计算两者之间的力矩误差；
根据关节动力学方程获得力矩误差的响应方程，力矩误差er的响应方程的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000025
其中，d表示为系统干扰，
Figure BDA0003419913920000026
表示为力矩误差er的二阶微分。
在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
定义新的力矩误差变量，力矩误差变量p的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000027
且λ>0；
通过变量代换，将对力矩误差er的控制转换为对力矩误差变量p的控制，变量代换后获得如下表达式：
Figure BDA0003419913920000028
其中，
Figure BDA0003419913920000029
表示为力矩误差变量p的一阶微分，
Figure BDA00034199139200000210
表示为力矩误差er的一阶微分，τin表示为控制率，且τm＝τin+u，u表示为内回路参考力矩，d表示为系统干扰。
在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
对系统干扰的自适应在线估计得到
Figure BDA00034199139200000211
的自适应率，
Figure BDA00034199139200000212
的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000031
其中，
Figure BDA0003419913920000032
用于表示干扰的估计值，dM和-dM分别为系统干扰d的取值临界点，且d∈[-dM,dM]；γ用于表示自适应率；
将力矩误差er变量代换后的表达式引入控制率，得到力矩误差变量p的动力学响应方程；
其中，控制率τin的表达式如下：
τin＝τs1+τs2
Figure BDA0003419913920000033
τs2＝ks2(p)p
τs1表示为线性控制率，τs2表示为非线性控制率，ks1表示为线性控制增益，ks2(p)表示为非线性控制增益；
得到力矩误差变量p的动力学响应方程的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000034
其中，
Figure BDA0003419913920000035
表示为系统干扰的估计误差。
在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
非线性控制率τs2满足如下条件：
Figure BDA0003419913920000036
其中，ε表示为系统的鲁棒性；
同时，非线性控制增益ks2(p)满足如下条件：
Figure BDA0003419913920000037
在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
经过外回路力矩跟踪控制器后，由期望力矩Td到关节力矩τj的关节力矩闭环响应传递函数G如下：
Figure BDA0003419913920000038
其中，Tj(s)表示为关节力矩的拉普拉斯变换函数，Td(s)表示为期望力矩的拉普拉斯变换函数，Ki表示为积分控制参数，Kd表示为微分控制参数，Kp表示为比例控制参数；
Figure BDA0003419913920000041
表示为关节力矩开环传递函数的倒数，s表示为拉普拉斯变换。
第二方面，本申请实施例提供了一种协作机器人关节力矩控制系统，包括外回路力矩跟踪控制器、内回路干扰补偿器及关节；
所述外回路力矩跟踪控制器的输入端接入期望的关节力矩，输出端输出参考力矩；
所述内回路干扰补偿器的输入端接入参考力矩，输出端输出关节电机的驱动力矩；
所述关节的输入端接入关节的驱动力矩，输出关节力矩，同时，将所述关节力矩反馈至所述外回路力矩跟踪控制器和所述内回路干扰补偿器；
其中，所述内回路干扰补偿器被配置为：对关节受到的系统干扰进行干扰补偿，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。
第三方面，在本实施例中提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述第一个方面所述的协作机器人关节力矩控制方法。
第四方面，在本实施例中提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一个方面所述的协作机器人关节力矩控制方法。
相比于相关技术，本申请实施例提供的协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备，当参考力矩在经过内回路干扰补偿器的系统干扰补偿后，输出关节电机的驱动力矩至关节后产生关节力矩，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。通过内回路干扰补偿器对系统干扰补偿，提升了关节系统的响应特征，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型，此时，关节力矩的控制精度和关节系统的稳定性得到了明显的提升。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中传统的关节力矩控制框图；
图2是根据本申请实施例的协作机器人关节力矩控制系统的结构框图；
图3是根据本申请实施例的内回路干扰补偿器的结构框图；
图4是根据本申请实施例的关节的机械传动原理图；
图5是根据本申请实施例的外回路力矩跟踪补偿器的结构框图；
图6是根据本申请实施例的协作机器人关节力矩控制系统的模块连接图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本实施例提供了一种协作机器人关节力矩控制方法，用于协作机器人的关节系统的力矩控制，包括如下步骤：
当参考力矩在经过内回路干扰补偿器的系统干扰补偿后，输出关节电机的驱动力矩至关节后产生关节力矩，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。
通过上述步骤，当参考力矩在经过内回路干扰补偿器的系统干扰补偿后，输出关节电机的驱动力矩至关节后产生关节力矩，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。通过内回路干扰补偿器对系统干扰补偿，提升了关节系统的响应特征，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型，此时，关节力矩的控制精度和关节系统的稳定性得到了明显的提升。
内回路干扰补偿器的设计目标是通过补偿关节系统所受的系统干扰，使得经过内回路干扰补偿器后的关节系统的响应特性趋向于关节的名义力矩响应模型。在本实施例中，内回路干扰补偿器的原理框图如图3所示，其中，关节的名义力矩响应模型用Pn(s)表示，反馈控制器用C(s)表示。
假设用Tj(s)，U(s)，D(s)及N(s)分别表示关节力矩τj，参考力矩u，系统干扰d，噪声n的拉普拉斯变换函数，则关节力矩τj的拉普拉斯变换函数Tj(s)的表达式如下：
Τj(s)＝Gu(s)U(s)-Gd(s)D(s)+Gn(s)N(s) (1)
其中，Gu(s)、Gd(s)、Gn(s)分别表示为参考力矩u，系统干扰d，噪声n到关节力矩τj的响应传递函数。此时，用P(s)表示实际关节力矩响应传递函数，则
Figure BDA0003419913920000061
Figure BDA0003419913920000062
Figure BDA0003419913920000063
由式(2)知，当Pn(s)＝P(s)时，Gu(s)不受C(s)的影响，经内回路干扰补偿器的关节内环控制子系统的响应传递函数Gu(s)＝Pn(s)。事实上，P(s)与Pn(s)之间的模型误差能够等效叠加到系统干扰d中。由式(3)知，通过设计反馈控制器C(s)，实现包括非线性摩擦、减速器传递误差、外部干扰以及动力学模型误差在内的所有干扰抑制。但是，如式(3)和式(4)所示，显然，反馈控制器在抑制干扰d的同时放大了噪声n。由于在实际关节控制系统中力矩测量的噪声是白噪声，通常是通过滤波的方法能够对噪声进行抑制，因此，本实施例中的内回路干扰补偿器设计时不考虑和分析噪声n的影响。
由以上分析可知，如图2所示，双回路的协作机器人关节力矩控制系统的设计关键是关节动力学建模，内回路干扰补偿器的设计和外回路力矩跟踪控制器的设计。以下将具体说明：
内回路干扰补偿器的实现依赖于名义力矩响应模型用Pn(s)，首先需要分析关节的动力学特性，建立关节的动力学方程。
因此，在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法包括以下步骤：
S110：根据如图4所示的关节的机械传动原理图，分析关节的动力学特性，建立关节的动力学方程，关节的动力学方程的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000071
其中，τm表示关节电机的驱动力矩，τj表示关节力矩，Jm表示换算到负载输出端的等效电机惯量，θm表示为负载输出端的电机位置，K表示为刚度，τext表为负载输出端所受力矩，θ表示为电机端位置，θl表示为负载输出端位置，J1表示为负载惯量；
S120：根据关节的动力学方程获得关节的名义力矩响应模型，所述名义力矩响应模型Pn(s)的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000072
其中，
Figure BDA0003419913920000073
表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的反谐振；
Figure BDA0003419913920000074
表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的谐振频率；Jm,n表示为电机惯量的名义值；Jl，n表示为负载惯量的名义值；Kn表示为关节刚度的名义值。
接下来，设计内回路干扰补偿器，如图3所示，内回路干扰补偿器的输出包含两部分，即τm＝in+。内回路干扰补偿器设计的关键是给出控制率τin。事实上，对于名义力矩响应模型的输出而言，反馈控制器C(s)相当于闭环误差反馈控制器，使名义力矩响应模型输出τr和关节力矩τj之间的误差er能快速收敛到零。因此，反馈控制器的设计可以采用多种形式，如自适应控制、鲁棒控制、PID控制器等。但是，由于关节系统的系统干扰包含摩擦等非线性、减速器传递误差、关节力矩响应动力学模型误差等，因此，在本实施例中采用自适应鲁棒控制，这样既保证了对系统干扰的补偿精度，又保证了系统的鲁棒稳定性。
内回路干扰补偿器的设计包括以下步骤：
S210：获取实际关节力矩和名义模型输出力矩计算两者之间的力矩误差，er＝τr-τj；
S220：根据关节动力学方程并代入τm＝τin+u，获得力矩误差的响应方程，力矩误差er的响应方程的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000081
其中，d表示为系统干扰。
在另一实施例中，为了简化内回路干扰补偿器的设计，对力矩误差er的响应方程进行降阶处理，当力矩误差变量p趋于零时，力矩误差er也趋于零。
基于此，先定义新的力矩误差变量，力矩误差变量p的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000082
且λ>0；
通过变量代换，将对力矩误差er的控制转换为对力矩误差变量p的控制，变量代换后获得如下表达式：
Figure BDA0003419913920000083
其中，τin表示为控制率，且τm＝τin+u，u表示为内回路参考力矩，d表示为系统干扰。
其中，对力矩误差er的响应方程进行降阶处理包括以下步骤：
S310：对系统干扰的自适应在线估计得到
Figure BDA0003419913920000084
的自适应率，自适应率
Figure BDA0003419913920000085
的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000086
(9)其中，dM和-M分别为系统干扰d的取值临界点，且d∈[-dM，dM]；
S320：将力矩误差er变量代换后的表达式引入控制率，得到力矩误差变量p的动力学响应方程；
其中，控制率τin的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000091
τs1表示为线性控制率，τs2表示为非线性控制率，ks1表示为线性控制增益，ks2(p)表示为非线性控制增益；
得到力矩误差变量p的动力学响应方程的表达式如下：
Figure BDA0003419913920000092
其中，
Figure BDA0003419913920000093
表示为系统干扰的估计误差，
Figure BDA0003419913920000094
由式(11)知，当
Figure BDA0003419913920000095
时，仅仅通过设计线性控制率τs1，能够使系统保持稳定。线性控制增益ks1，根据期望的系统动态响应特性选取。假设期望的系统带宽为ω0，则
Figure BDA0003419913920000096
在上述的步骤S310～S320的过程中，引入控制率τin是因为关节系统不可避免地存在系统干扰的估计误差，为了保证对系统干扰的估计误差的鲁棒性。
同时，为了保证系统干扰的估计误差
Figure BDA0003419913920000097
存在情况下，系统的鲁棒稳定性，可使非线性控制率τs2和非线性控制增益ks2(p)满足如下条件。
非线性控制率τs2满足如下条件：
Figure BDA0003419913920000098
其中，ε表示为系统的鲁棒性；
同时，非线性控制增益ks2(p)满足如下条件：
Figure BDA0003419913920000099
在一实施例中，为了配合上述的内回路干扰补偿器，外回路力矩跟踪控制器的系统框图如图5所示。外回路力矩跟踪控制器为IP-D控制的形式，比例、积分、微分的控制参数分别为Kp,Ki,Kd。
用Td(s)表示为期望力矩的拉普拉斯变换函数，经过外回路力矩跟踪控制器后，由期望力矩Td到关节力矩τj的关节力矩闭环响应传递函数G如下所示：
Figure BDA00034199139200000910
其中，j(s)表示为关节力矩的拉普拉斯变换函数，Td(s)表示为期望力矩的拉普拉斯变换函数，Ki表示为积分控制参数，Kd表示为微分控制参数，Kp表示为比例控制参数。
相对于传统PID控制器，本实施例采用IP-D控制器的形式，消除零点对力矩闭环响应特性的影响。通过内回路干扰补偿器的设计，内回路的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型，即Gu(s)趋向于Pn(s)。因此，外回路力矩跟踪控制器设计时，用Pn(s)代替Gu(s)，并利用零极点配置的方法选择比例、积分、微分参数。假设力矩闭环响应的三个极点分别为p1，p2和p3，由此得到控制参数和系统极点之间的关系式如下：
Figure BDA0003419913920000101
其中，
Figure BDA0003419913920000102
表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的反谐振；
Figure BDA0003419913920000103
表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的谐振频率；
需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本申请实施例还提供了一种协作机器人关节力矩控制系统，该系统用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。以下所使用的术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管在以下实施例中所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图6是根据本申请实施例的一种协作机器人关节力矩控制系统的模块连接图，如图6所示，协作机器人关节力矩控制系统包括外回路力矩跟踪控制器10、内回路干扰补偿器20及关节30；
所述外回路力矩跟踪控制器10的输入端接入期望的关节力矩，输出端输出参考力矩；
所述内回路干扰补偿器20的输入端接入参考力矩，输出端输出关节电机的驱动力矩；
所述关节30的输入端接入关节的驱动力矩，输出关节力矩，同时，将所述关节力矩反馈至所述外回路力矩跟踪控制器10和所述内回路干扰补偿器20；
其中，所述内回路干扰补偿器20被配置为：对关节30受到的系统干扰进行干扰补偿，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。
除此之外，所述内回路干扰补偿器20包括关节的名义力矩响应模型和反馈控制器。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种协作机器人关节力矩控制方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，上述结构仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
另外，结合上述实施例中的协作机器人关节力矩控制方法，本申请实施例可提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序；该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种协作机器人关节力矩控制方法。
本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种协作机器人关节力矩控制方法，用于协作机器人的关节系统的力矩控制，其特征在于，包括以下步骤：
当参考力矩在经过内回路干扰补偿器的系统干扰补偿后，输出关节电机的驱动力矩至关节后产生关节力矩，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。
2.根据权利要求1所述的协作机器人关节力矩控制方法，其特征在于，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
分析关节的动力学特性，建立关节的动力学方程，关节的动力学方程的表达式如下：
Figure FDA0003419913910000011
其中，τm表示关节电机的驱动力矩，τj表示关节力矩，Jm表示换算到负载输出端的等效电机惯量，θm表示为负载输出端的电机位置，
Figure FDA0003419913910000012
表示为θm的二阶微分，K表示为刚度，τext表为负载输出端所受力矩，θ表示为电机端位置，θl表示为负载输出端位置，J1表示为负载惯量；
根据关节的动力学方程获得关节的名义力矩响应模型，所述名义力矩响应模型Pn(s)的表达式如下：
Figure FDA0003419913910000013
其中，
Figure FDA0003419913910000014
表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的反谐振；
Figure FDA0003419913910000015
表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的谐振频率；Jm，n表示为电机惯量的名义值；Jl，n表示为负载惯量的名义值；Kn表示为关节刚度的名义值。
3.根据权利要求2所述的协作机器人关节力矩控制方法，其特征在于，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
获取实际关节力矩和名义模型输出力矩计算两者之间的力矩误差；
根据关节动力学方程获得力矩误差的响应方程，力矩误差er的响应方程的表达式如下：
Figure FDA0003419913910000016
其中，d表示为系统干扰，
Figure FDA0003419913910000021
表示为力矩误差er的二阶微分。
4.根据权利要求2所述的协作机器人关节力矩控制方法，其特征在于，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
定义新的力矩误差变量，力矩误差变量p的表达式如下：
Figure FDA0003419913910000022
且λ＞0；
通过变量代换，将对力矩误差er的控制转换为对力矩误差变量p的控制，变量代换后获得如下表达式：
Figure FDA0003419913910000023
其中，
Figure FDA0003419913910000024
表示为力矩误差变量p的一阶微分，
Figure FDA0003419913910000025
表示为力矩误差er的一阶微分，τin表示为控制率，且τm＝τin+u，u表示为内回路参考力矩，d表示为系统干扰。
5.根据权利要求4所述的协作机器人关节力矩控制方法，其特征在于，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
对系统干扰的自适应在线估计得到
Figure FDA0003419913910000026
的自适应率，
Figure FDA0003419913910000027
的表达式如下：
Figure FDA0003419913910000028
其中，
Figure FDA0003419913910000029
用于表示干扰的估计值，dM和-dM分别为系统干扰d的取值临界点，且d∈[-dM，dM]；γ用于表示自适应率；
将力矩误差er变量代换后的表达式引入控制率，得到力矩误差变量p的动力学响应方程；
其中，控制率τin的表达式如下：
τin＝τs1+τs2
Figure FDA00034199139100000210
τs2＝ks2(p)p
τs1表示为线性控制率，τs2表示为非线性控制率，ks1表示为线性控制增益，ks2(p)表示为非线性控制增益；
得到力矩误差变量p的动力学响应方程的表达式如下：
Figure FDA00034199139100000211
其中，
Figure FDA00034199139100000212
表示为系统干扰的估计误差。
6.根据权利要求5所述的协作机器人关节力矩控制方法，其特征在于，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
非线性控制率τs2满足如下条件：
Figure FDA0003419913910000031
其中，ε表示为系统的鲁棒性；
同时，非线性控制增益ks2(p)满足如下条件：
Figure FDA0003419913910000032
7.根据权利要求1所述的协作机器人关节力矩控制方法，其特征在于，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：
经过外回路力矩跟踪控制器后，由期望力矩Td到关节力矩τj的关节力矩闭环响应传递函数G如下：
Figure FDA0003419913910000033
其中，Tj(s)表示为关节力矩的拉普拉斯变换函数，Td(s)表示为期望力矩的拉普拉斯变换函数，Ki表示为积分控制参数，Kd表示为微分控制参数，Kp表示为比例控制参数；
Figure FDA0003419913910000034
表示为关节力矩开环传递函数的倒数，s表示为拉普拉斯变换。
8.一种协作机器人关节力矩控制系统，其特征在于，包括外回路力矩跟踪控制器、内回路干扰补偿器及关节；
所述外回路力矩跟踪控制器的输入端接入期望的关节力矩，输出端输出参考力矩；
所述内回路干扰补偿器的输入端接入参考力矩，输出端输出关节电机的驱动力矩；
所述关节的输入端接入关节的驱动力矩，输出关节力矩，同时，将所述关节力矩反馈至所述外回路力矩跟踪控制器和所述内回路干扰补偿器；
其中，所述内回路干扰补偿器被配置为：对关节受到的系统干扰进行干扰补偿，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的协作机器人关节力矩控制方法的步骤。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的协作机器人关节力矩控制方法的步骤。
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