[发明专利]一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法

说明书

本发明涉及一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，包括以下步骤：首先，采用扭矩反馈比例控制方法，设计内环控制算法；然后，采用比例微分控制方法，设计外环控制算法；最后，根据辨识的模型参数，设计扰动观测算法。关节控制算法由以上三步组成，根据要求的精度和动态性能调节参数。本发明不仅能使协作机器人关节具备传统工业机器人高精度运动特点，而且还能够使关节具有力控制、力位混合控制能力，使关节具有柔顺特性。方法可应用于协作机器人控制系统，增加人机协作控制功能。

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体地说是一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，特别适用于协作机器人力控制和人机交互作业。

背景技术

协作机器人，首先要保证人机交互作业过程的安全性。因此，不同于传统机器人本体具有高刚度特性，协作机器人本体应具有柔顺性。协作机器人柔顺特性可以使操作人员免受机器人本体冲击造成伤害。另外，在装配、打磨、切削等需要严格控制接触力工况中，也可采用柔顺控制技术实现。

协作机器人柔顺特性通常采用特殊机构设计与控制方法联合实现。特殊机构设计，包括在关节部安装力矩传感器和安装串联弹性机构两种方式。第一种方式，在关节输出端安装力矩传感器，可以准确测量关节输出扭矩，提供丰富信号，进而通过控制的方式实现力矩自适应的柔顺控制。此种方式，机构设计的改变对结构刚度影响不大。本体柔顺特性完全通过控制方式实现，刚度可通过控制参数来调节。这也是目前对比较适合工业应用的技术手段。另一种方式，在关节输出端安装弹性机构，通过弹性形变来测量力矩，同时通过弹性形变产生本体柔顺特性。此种方式，机构设计的改变使结构刚度变低，但使本体具有本质安全特性。这种完全靠机构实现的柔顺特性，使得本体柔软且安全，但控制精度和动态特性变差。适合与人接触较多的系统，例如医疗、康复等应用。以上两种方式各有优势，可根据应用需求和技术指标要求选择合适技术方案。本发明根据目前第一种方式存在的技术实现难点，发明一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，方法不仅能使协作机器人关节具备传统工业机器人高精度运动特点，而且还能够使关节具有力控制、力位混合控制能力，使关节具有柔顺特性。方法可应用于协作机器人控制系统，增加人机协作控制功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，该方法在保证协作机器人关节具备高精度运动特点的同时，使关节具有力控制、力位混合控制的能力，实现关节的柔顺特性。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于协作机器人关节的柔顺控制方法，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：