[发明专利]基于Zener模型的机器人-环境柔顺接触过程的阻抗控制方法

说明书

本发明涉及一种基于Zener模型的机器人‑环境柔顺接触过程的阻抗控制方法，属于机器人与环境交互领域。基于位置控制的力跟踪阻抗控制器在位置控制内环的基础上加入力控制外环，将实际接触力和期望接触力的误差信号通过阻抗控制器转换为位置调整量，再通过位置调整量和参考轨迹叠加来调整机器人末端的理想运动轨迹，最后通过位置控制器使机器人末端按计算出的理想运动轨迹运动，进而实现力跟踪。与传统使机器人末端表现为弹簧或弹簧与阻尼器并联的模型相比，该模型可以通过调节参数使机械臂表现出更合适的特性，而不需要频繁切换模型。

技术领域

本发明属于机器人与环境交互领域，具体涉及一种基于Zener模型的笛卡尔空间力跟踪阻抗控制方法设计。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，机器人的应用范围不断扩大，机器人面临的环境越来越复杂，与人进行的交互越来越多，因此对机器人的安全性和适应性要求也越来越高。由于机器人与环境接触时仅进行位置控制有可能导致接触力过大，因此需要引入柔顺控制，以顺应外力，使机器人与环境的相互作用力保持在合理的范围内，提升机器人的安全性。目前使用较多的是柔顺控制中的阻抗控制方法。

目前使用的阻抗控制模型Voigt模型和Maxwell模型均从流变学领域推广而来，具有不同的性质，如果需要变换性质则需要更换模型。而Zener模型可以将Voigt模型和Maxwell模型合二为一，同时具有两者的性质，只需要调整参数即可。

发明内容

要解决的技术问题

为了弥补现有笛卡尔空间力跟踪阻抗控制方法的不足，本发明提出一种基于Zener模型的笛卡尔空间力跟踪阻抗控制方法，可以使机器人末端在不同的性质当中平稳切换。

技术方案

一种基于Zener模型的机器人-环境柔顺接触过程的阻抗控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立机器人动力学模型和环境模型

所述的机器人动力学模型为：

其中F＝J^-T(q)τ为n维广义关节操作力，X、和为机器人末端位置、速度和加速度，M(q)、G(q)分别为笛卡尔空间中的惯性矩阵、哥氏力和离心力矢量、重力矢量；

所述的环境模型为：

其中，F_e为环境作用力，K_e为环境模型的刚度系数，B_e为环境模型的阻尼系数，X为机械臂末端位置，X_e为环境位置；

步骤2：建立基于Zener模型的阻抗控制模型

其中，E_x为期望位置与机器人实际位置之差，E_f＝F_d-F_e为期望接触力与实际接触力之差，M_d、B_d、K_d和分别为惯性矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和另一个刚度矩阵；

步骤3：建立基于位置的力跟踪阻抗控制模型

所述的基于位置的力跟踪阻抗控制模型包括阻抗控制器、位置控制器、环境模型和机器人，其中位置控制器对机器人进行控制，即控制力F，机器人输出位置X给环境模型，环境模型输出环境作用力F_e，将期望作用力F_d减去环境作用力F_e得到E_f输入到阻抗控制器，阻抗控制器输出E_x，将期望位置X_d减去E_x得到参考轨迹X_r去控制位置控制器。