[发明专利]一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法

权利要求书

1.一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用扭矩反馈比例控制方法构建内环控制，得到内环转矩反馈控制力矩τ_t；

步骤2：采用比例微分控制方法构建外环控制，得到阻抗控制力矩τ_d；

步骤3：根据辨识的模型参数设计扰动观测器以及PID控制器，得到扰动补偿力矩

步骤4：将内环转矩反馈控制力矩τ_t、阻抗控制力矩τ_d以及含有扰动补偿力矩的前馈补偿力矩三者叠加，输入给电机系统进行控制，实现协作机器人关节的柔顺控制；

步骤1具体如下：

首先利用关节力矩传感器测量关节所受实际外力矩τ_e，再利用离线辨识方法得到关节所受重力矩τ_g，二者做差得到力矩反馈误差Δτ，进而得到内环转矩反馈控制力矩τ_t，计算公式为：

τ_t＝-K_tΔτ＝-K_t(τ_e-τ_g)

其中：K_t为正定的比例系数；

步骤2具体如下：

利用位置和速度传感器测量得到关节的实际位置q和速度并分别与目标位置q_d和速度做差，得到位置误差Δq和速度误差计算阻抗控制力矩τ_d：

其中：K表示刚度系数，B表示阻尼系数；

步骤3具体如下：

扰动补偿力矩通过以下公式得到：

其中，C(s)为PID控制器的输出值，K_p、K_I和K_d分别为比例、积分和微分系数，q_nr为由柔顺控制方法生成并输入给电机动力学模型后得到的理想输出，观测误差e_nr＝q_nr-q，q为关节的实际位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，步骤4中前馈补偿力矩为关节所受重力矩τ_g与扰动补偿力矩的叠加。

3.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，所述步骤1中，分为阻抗控制和零力控制两种工作情况：当阻抗控制力矩非零时，即τ_d≠0，为阻抗控制模式，此时关节对外表现出柔性；当阻抗控制力矩为零时，即τ_d＝0，为零力控制模式，此时实现拖动示教功能。

4.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，所述扰动观测器的电机动力学模型通过辨识的方法得出，扰动观测器用于观测实际输出与理想输出的差值，并通过设计控制律计算扰动补偿力矩。

5.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，其特征在于，调节比例系数和微分系数即可调节刚度系数和阻尼系数，刚度系数和阻尼系数由工作任务确定，为常数或者时变参数。