[发明专利]一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法，其中方法包括以下步骤：获取关节的角度信息和力矩信息；结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值；结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩。本发明采用多个电机共同驱动关节，并实时控制关节的刚度，从而使多个电机能像生物的多块肌肉一样有效的配合工作，提高了仿生关节的灵活性和变刚度性能，解决了变刚度性能差和控制灵活度不佳等问题，可广泛应用于机器人关节技术领域。

技术领域

本发明涉及机器人关节技术领域，尤其涉及一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法。

背景技术

仿生机器人的研发是国内外的热点，也是未来研究的趋势，关节是机器人核心部件。而机器人在执行任务时所接触的外界环境具有不确定性，需要机器人操作执行任务时具备一定动态交互能力，传统的机器人难以根据外部环境与自身负载变化动态调整关节刚度以减缓外部环境冲击，有一定安全隐患。基于此，柔性机器人及其控制方法得到了发展。柔性控制主要分为主动柔性和被动柔性，主动柔性控制通过控制力矩输出使得机械系统具有弹性，主要有阻抗控制等方法，先构建一个虚拟的弹性模型以实现柔性功能，再通过一台电机实现关节的刚度变化；被动柔性控制则是从机械设计的角度出发，在关节处安装弹性装置，该弹性装置具有弹性功能(比如弹簧等具有伸缩功能的材料)，并通过控制弹簧刚度实现关节刚度的变化。

对于被动柔性控制的柔性机器人，需要在硬件上加弹性装置，而弹性装置尺寸较大结构复杂，实际应用中，弹性装置的储能可能会在碰撞过程中突然释放造成安全隐患；对于现有的主动柔性控制的柔性机器人，面临变刚度性能差、系统鲁棒性不佳、控制灵活度不佳、大扭矩场景成本高等问题，且单个大力矩电机重量大，响应曲线慢，控制精确不高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于多电机驱动、变刚度性能更好的仿生关节控制系统及方法。

本发明所采用的第一技术方案是：

一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统，包括时变阻抗控制模块、多电机电流协作控制模块、编码器、力矩传感器和多个运动单元，所述多个运动单元并联作用于关节，各所述运动单元包括电机和驱动器，所述时变阻抗控制模块分别与编码器和多电机电流协作控制模块连接，所述多电机电流协作控制模块分别与力矩传感器和各驱动器连接；

所述编码器用于获取关节的角度信息，并将角度信息传输至时变阻抗控制模块；

所述力矩传感器用于获取关节的力矩信息，并将力矩信息传输至多电机电流协作控制模块；

所述时变阻抗控制模块用于结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值，并将期望力矩值发送至多电机电流协作控制模块；

所述多电机电流协作控制模块用于结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩。

进一步，所述结合角度信息和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值这一步骤，具体为：

结合角度信息和预设的参考角度计算角度差；

结合角度差和预设的时变阻抗模型计算期望力矩值。

进一步，所述结合期望力矩值、力矩信息和预设的分配方式控制各运动单元输出力矩这一步骤，具体包括以下步骤：

结合期望力矩值和力矩信息计算力矩差；

结合力矩差和预设的分配方式计算各电机的电流信息；

根据电流信息驱动各电机输出力矩，以对关节输出一个时变刚度的总力矩。

进一步，所述分配方式采用平均分配方式、分段分配方式、能量分配方式和速度分配方式的任一种。

本发明所采用的第二技术方案是：