[发明专利]一种基于状态反馈的单关节柔性机械臂的位置控制方法

说明书

本发明公开了一种基于状态反馈的单关节柔性机械臂的位置控制方法，首先有别于分离建立电机模型和SEA模型的方法，考虑SEA负载运动对电机端动力学模型的时变影响，将负载力矩经过减速器作为扰动反馈到电机端，对电机和SEA整个系统进行建模；其次将状态空间与根轨迹相结合，给出一种基于状态反馈的SEA单关节位置控制器设计方法，可直观地进行控制系统的稳定、快速、静差和参数不灵敏等性能的协调优化；最后考虑到全状态反馈的方法无法满足电流要求，提出一种状态反馈与PI相结合的SEA单关节位置控制器设计方法，对电流进行PI控制，对其他变量仍进行状态反馈控制，达到较好的控制效果。

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于状态反馈的单关节柔性机械臂的位置控制方法。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，与人协作，以及人机共存的环境也应运而生。人机共存与传统机器人工作环境相比存在许多的不同，其中最大的不同是人机交互操作具有不确定性和人机交互环境是动态变化的。传统的工业机器人机械本体一般以刚性结构为主，这是为了保证高速和高精度的性能，但同样会导致末端刚度非常大，在人机共存环境中会产生不确定性。在运行过程中，如果出现操作失误，环境中的其他对象及机械臂自身的安全会受到威胁。因此对于交互任务中的不确定性，需要有新的性能去应对，这种性能被称作柔顺性，在机器人关节中加入该性能，那么与机器人协同合作的操作人员或其他对象的安全就能得到保证。

机器人的柔顺性是实现未知约束环境下人机安全物理交互，开展复杂作业的重要前提。基于机器人关节的柔顺性控制问题，之前的研究者们的研究方案基本上分为两种。第一种是在刚性执行机构负载端安装力传感器，如应变片，通过主动顺应控制实现约束环境中的安全碰撞。这种“刚性设计，控制实现安全”的模式，在传统工业领域应用比较广泛。但是这种刚性的设计在操作的过程中，对操作者并不友好，会使操作者产生不适，甚至会对操作者造成损伤，因此并不适用于人与机器人安全的协同合作。

另一种是从在对生物肌腱的研究中产生灵感，在人机物理交互的工作环境中，为确保接触力在操作过程中一直处于安全范围内，将内在柔顺性添加到执行机构中，其实现模式为“设计实现安全，控制提高性能”。串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator，以下简称SEA)非常契合上述理念。它的具体实现方法是，将电机和减速器整体端和负载端隔离，即将弹性元件串联在电机驱动以及减速器的整体和负载端之间，一方面系统内在的柔顺性对于整个频带的阻抗有良好的改善效果，另一方面弹性元件作为力传感器元件，可以反馈接触力矩至整个电机系统以提高整个控制系统的性能。

但SEA弹性元件的加入会改变整个控制系统的结构，因此相应的控制算法设计的难度也会增加，需要通过力矩控制、速度控制和位置控制等控制算法来确保其执行的精确性和安全性。本方法此背景下研究SEA的柔顺性位置控制，对于机器人在未知约束环境下准确安全的运行具有重要意义。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种基于状态反馈的单关节柔性机械臂位置控制的方法，主要解决串联弹性驱动器的电流限幅问题。

本发明解决技术问题所采用以下技术方案如下：一种基于状态反馈的单关节柔性机械臂的位置控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、对单关节柔性机械臂进行建模，并对建模得到的系统求取传递函数，并确定模型参数；

步骤二、根据步骤一得到的系统，设计基于状态反馈的单关节柔性机械臂的位置控制器，并消除系统的稳态误差；

步骤三、对步骤一系统中的电机电流采用PI控制，对其他变量采用状态反馈控制，使位置控制的超调量和调节时间满足要求。

进一步的，所述步骤一具体为：

(a1)、单关节柔性机械臂的建模：

U_c＝k_sU_d0，