[发明专利]一种变刚度串联弹性驱动器的机器人关节自适应控制方法

权利要求书

1.一种变刚度串联弹性驱动器的机器人关节自适应控制方法，其特征在于：

所述变刚度串联弹性驱动器包括串联弹性执行器、电机一和电机二，所述串联弹性执行器以下称VSEA，所述VSEA包括一组并联连接的粗弹簧和细弹簧，并且该组弹簧由中间的变刚度滑块隔成串联连接的两部分，变刚度滑块在电机二的驱动下在弹簧上移动，进而改变弹簧的有效耦合长度；

所述电机一为驱动电机，其通过减速器减速增矩，输出转角θ和转矩τ，输出转角θ和转矩τ作为输入驱动所述VSEA，经过所述VSEA的弹性作用，对外输出实际机器人轨迹q和转矩τ₀，进而驱动机器人运动，并且对外呈柔性驱动；

所述电机二为变刚度电机，其通过改变中间刚度滑块的位置，进而改变粗细弹簧的耦合长度N_a，从而改变系统刚度K(N_a)，实现机器人关节刚度变化；

所述自适应控制方法包括以下步骤：

步骤一、对基于VSEA的机器人关节进行建模，得到机器人关节的动力学模型，并确定模型参数；

步骤二、对VSEA变刚度系统进行数学建模，得到VSEA系统刚度变化数学模型；

步骤三、对机器人关节轨迹进行规划，得到机器人的工作频率，并根据VSEA系统刚度变化数学模型，基于自然动力学调整系统刚度，使系统工作频率与系统反共振频率保持一致；

步骤四、根据机器人关节的动力学模型，建立李雅普诺夫方程，推导得到自适应控制器和自适应律。

2.根据权利要求1所述的变刚度串联弹性驱动器的机器人关节自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：

根据牛顿欧拉法建立机器人关节动力学模型为：

其中：τ为电机一输出力矩；q为关节空间角度向量；θ为电机一转子的角度向量；M(q)为惯性矩阵；为科里奥利矩阵；D_q为驱动器阻尼系数矩阵；g(q)为重力补偿矩阵；B为电机一惯性矩阵；D_θ为电机一阻尼系数矩阵；K(N_a)为VSEA系统模型刚度，并且动力学参数具有以下性质：

1)M(q)和B均为对称正定矩阵；

2)为反对称矩阵；

3)D_q＝diag(d_q1,d_q2,…,d_qn)和D_θ＝diag(d_θ1,d_θ2,…,d_θn)均为正定对角阵，各个分量均为摩擦系数物理量；

4)动力学模型中用物理参数ψ_q＝[ψ_q1,ψ_q2,…,ψ_qn]^T线性表示为：

其中：为已知的动态回归矩阵；

5)动力学模型中摩擦项用物理参数ψ_θ＝[ψ_θ1,ψ_θ2,…,ψ_θn]^T线性表示：

其中：为已知的动态回归矩阵。

3.根据权利要求2所述的变刚度串联弹性驱动器的机器人关节自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：

所述的VSEA系统模型由两根粗细不同的弹簧组成，弹簧总圈数为N_t，变刚度滑块将两弹簧分成上下四部分，上半部分的圈数为N_a，则下半部分圈数为N_t-N_a，其刚度分别为K₁、K₂、K₃、K₄，由弹簧刚度计算公式可得：

由弹簧串、并联刚度变化规律，可得VSEA系统的总刚度为：

式中：G、d₁、d₂、D₁、D₂分别为：

G为弹簧材料的剪切模量；d₁和d₂分别表示粗弹簧和细弹簧的弹簧丝直径；D₁和D₂分别表示粗弹簧和细弹簧的直径。