[发明专利]串联弹性驱动器的位置控制装置及方法、存储介质、设备

说明书

本发明提供一种串联弹性驱动器的位置控制装置及方法、存储介质、设备，装置包括：传感器，用于检测所述关节受控对象的关节位置实际值和等效弹簧变形量；减法器，用于根据关节期望位置和关节位置实际值得到关节位置控制误差；PD控制器，用于根据关节位置控制误差获得PD输出值；反向乘法器，用于根据等效弹簧变形量获得等效弹簧变形量增益值；加法器，用于根据PD输出值和等效弹簧变形量增益值得到减速机输出轴速度控制量；乘法器，用于根据减速机输出轴速度控制量和减速比得到电机输出轴速度控制量；电机控制器，用于根据电机输出轴速度控制量拖动关节受控对象运动。

技术领域

本发明涉及机器人关节位置控制技术，尤其涉及一种机器人关节位置误差补偿方法，具体涉及一种串联弹性驱动器(SEA)的位置控制装置及方法、存储介质、设备。

背景技术

随着工业自动化及机器人技术的飞速发展，工业机械臂、仿生足式机器人、医疗康复机器人等关节机器人在工业医疗康复、太空探索等领域中发挥着越来越重要的作用。机器人在执行操作任务时，其末端位置精度往往依赖多个关节的联合位置控制来保证。从机器人运动学的观点来分析，机器人关节位置控制误差会累积至机器人末端，尤其对于多个关节构成的串联末端(如工业机器人末端、仿生足式机器人足端、人形机器人的足端与手部)，且关节之间的连杆尺寸较大时，即使关节位置控制误差较小，也会使末端产生较大的位置误差。此外，关节位置控制响应性能也直接影响末端位置响应性能：关节位置控制响应越快则末端响应也越快；关节位置控制的超调也会进一步引起末端位置的较大波动；关节位置的调节时间越大，末端位置波动时间也越长。因此，机器人关节位置控制性能是决定机器人末端控制性能的一个重要方面，也是机器人执行操作任务的重要技术基础。

现有机械臂关节由串联弹性驱动器(Series Elastic Actuators，SEA)控制，SEA是一种弹性驱动器，一般由机架(F)、电机(M)、减速机(G)、弹性元件(S)(如弹簧等)与负载连杆(L)等组成，如图1A、图1B、图1C所示，SEA一般具有三种连接方式。SEA的力矩控制性能一般比较好，常常作为高精度的力矩控制驱动器应用于机器人的某一关节，称之为SEA关节；SEA关节一般具有较高的柔性，在位置控制中SEA关节的位置控制误差会由于负载作用而变大；而在动态情况下，由于负载惯量的原因，高精度的动态跟踪对SEA关节更为困难；特别地，当弹性驱动关节的弹簧刚度较小而负载较大时，弹性驱动关节的高柔性使得高精度的位置控制成为一种挑战，因此，SEA纯关节位置控制常用于空载或者轻载的场合。

SEA关节位置控制主要目的是保证关节位置与目标关节位置的一致性，常用的控制方法有比例微分控制(PD控制)、线性二次型调节器(LQR)控制等。关节位置PD控制常常体现出较快的响应速度、高超调与较长的调节时间，在负载作用下PD控制的调节时间可能会进一步增长甚至导致控制发散。LQR控制常常使SEA关节体现出与弹簧刚度直接相关的等效刚度，其超调量与调节时间一般很小，在硬件选择合适与参数调节合理的情况下，响应时间也能达到一定的控制要求，并且该控制能赋予关节控制等效于弹簧刚度的柔顺性，使得该控制方法能够满足冲击载荷的要求，该控制方法实际是以电机位置控制为主要目标，而以牺牲关节位置控制精度换取关节位置控制的高柔顺性，因此在负载情况下，其精度很差，一般不用于较大负载情况。

由于常用的SEA关节纯位置控制方法难以满足相对较高负载的位置控制综合性能的要求，本领域技术人员亟需研发一种适用于所有线性弹性驱动关节的通用位置控制方法，能够有效提高弹性驱动关节在负载情况下的位置控制精度、响应速度、调节时间等综合性能。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种串联弹性驱动器的位置控制装置及方法、存储介质、设备，解决了现有机器人机械臂关节在负载情况下，位置控制精度低、响应速度慢、调节时间长的问题。