[发明专利]一种串联弹性作动器弹性体刚度的在线估计方法

说明书

一种串联弹性作动器弹性体刚度的在线估计方法，包括串联弹性作动器(SEA)投入使用之前对摩擦力矩模型参数离线辨识方法和投入使用之后对弹性体刚度在线估计方法。SEA投入使用前，空载稳定运行时，电机输出的力矩全部用于克服谐波减速器摩擦力矩；通过电流计算准确的负载力矩，作为对摩擦力矩的估计；假定谐波减速器的摩擦力矩与库伦摩擦、粘滞摩擦、转速的平方以及与绝对角度有关，并给出相应的多项式函数；通过系统辨识方法估计多项式函数的未知参数，确立谐波减速器摩擦力矩的模型。SEA投入使用后，通过电流准确估计输出负载力矩，扣除谐波减速器的摩擦力矩，得到SEA弹性体受到的真实力矩，运用卡尔曼滤波器，校正弹性体刚度。

技术领域

本发明属于串联弹性作动器技术领域，涉及一种串联弹性作动器弹性体刚度的在线估计方法，尤其涉及一种考虑谐波减速器摩擦力矩的串联弹性作动器弹性体刚度的在线估计方法。

背景技术

串联弹性作动器(Serial Elastic Actuator，SEA)在传统的刚性作动器中引入弹性体，具有低噪声力控制和抗冲击负荷等优点，能增强机器人关节柔顺性和环境适应性。SEA常以弹性体形变作为力控的基础，能适应负载变化复杂状况，将力矩控制转化为位置控制，大大地提高力控制精度。然而这种力控方式过于依赖对弹性体的精确力学建模以及弹性体刚度的稳定性。弹性体的刚度因极端负载或者环境因素(如长期重复使用、高温、高负载等)发生变化，估计出的力矩会存在很大误差。

卡耐基梅隆大学Steven Ford提出利用电流估计的力矩校正弹性体的刚度，但是该方法没有考虑系统的摩擦力，使得电流估计的力矩非常不准确，难以达到校准弹性体刚度的目的。

在负载变化很复杂的情况下，电流估计力矩偏差很大。而且，在系统摩擦力不明确的情况下，很难准确估计力矩。服务型机器人关节多采用谐波减速器，摩擦模型复杂，使电流估计力矩更加困难。Gandhi提出了谐波减速器的摩擦特性辨识及补偿方法，包括谐波减速器中与速度和位置相关的摩擦力。Tutle提出在运转过程中谐波减速器的摩擦特性分为库伦摩擦、粘滞摩擦、与位置相关的摩擦和谐振摩擦，并用三次多项式来描述摩擦模型。

SEA弹性体的刚度因极端负载或者环境因素(如长期重复使用、高温、高负载等)发生变化，迫切需要能够实现在线估计串联弹性作动器弹性体刚度的方法。然而如前所述，由于存在不计摩擦力时电流估计力矩非常不准确、谐波减速器的摩擦力矩在线测量很复杂等技术问题，现有技术尚不能提供串联弹性作动器弹性体刚度的在线估计方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，针对SEA弹性体的刚度因极端负载或者环境因素(如长期重复使用、高温、高负载等)发生变化、不计摩擦力时电流估计力矩非常不准确、谐波减速器的摩擦力矩在线测量很复杂等问题，本发明提供一种串联弹性作动器(SerialElastic Actuator，SEA)弹性体刚度的在线估计方法。该方法包括两个阶段：SEA投入使用之前对摩擦力矩模型参数离线辨识方法；SEA投入使用之后对弹性体刚度在线估计方法。

该方法的特点：SEA投入使用前，空载稳定运行时，电机输出的力矩全部用于克服谐波减速器摩擦力矩。通过电流计算准确的负载力矩，作为对摩擦力矩的估计。假定谐波减速器的摩擦力矩与库伦摩擦、粘滞摩擦、转速的平方以及与绝对角度有关，并给出相应的多项式函数。通过系统辨识方法估计多项式函数的未知参数，确立谐波减速器摩擦力矩的模型。SEA投入使用后，通过电流准确估计输出负载力矩，从中扣除谐波减速器的摩擦力矩，可得到SEA弹性体受到的真实力矩，运用卡尔曼滤波器，可以校正弹性体刚度。达到在极速运动、负载变化较大的情况下，准确估计作动器输出力矩的目的。

本发明的方法通过以下技术方案予以实现：

一种串联弹性作动器弹性体刚度的在线估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在串联弹性作动器投入使用之前，建立谐波减速器摩擦力矩模型，对摩擦力矩模型参数进行离线辨识；