[发明专利]一种液压机械臂末端力软测量方法

权利要求书

1.一种液压机械臂末端力软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立液压机械臂动力学模型，并将动力学模型线性化处理，建立机械臂最小惯性参数集及其对应的回归矩阵的线性模型；

步骤2，利用有限傅里叶级数设计激励轨迹，以步骤1的回归矩阵条件数最小为目标，求解有限傅里叶级数系数，生成激励轨迹；

步骤3，机械臂在无负载条件下，运行一次激励轨迹，采集液压缸两腔压力传感器数值，并通过液压缸两腔压力计算液压驱动力矩τ；将各时刻的关节角度、角速度、角加速度带入回归矩阵Y中，并合并成一个总矩阵；

步骤4，根据步骤3得到的液压驱动力矩τ和回归矩阵Y计算机械臂动力学参数；

步骤5，基于步骤3，计算实际液压驱动力矩τ_i为：

τ_i＝(P_aiA_ai-P_biA_bi)*r_i

其中，i是关节序号，P_ai，P_bi为液压缸无杆腔和有杆腔压力，由压力传感器测得，A_ai，A_bi为液压缸无杆腔和有杆腔面积，r_i为液压缸有效力臂；并将步骤4中所得的动力学参数，带入到步骤1的线性模型中，计算末端力大小；

其中，F为机械臂末端力；是机械臂雅克比矩阵的转置，表示回归矩阵，L∈R^p×1表示最小惯性参数集，p表示最小参数集内元素数目，n表示机械臂自由度。

2.根据权利要求1所述的一种液压机械臂末端力软测量方法，其特征在于，步骤1中所述的机械臂动力学模型具体如下：

其中，q为机械臂关节角度，q∈R^n×1，为关节角速度，为关节角加速度，n表示机械臂自由度，τ为液压驱动力矩，M(q)为机械臂惯量矩，为机械臂科氏向心力矩，G(q)为机械臂重力矩，为摩擦力矩，包括库伦摩擦和粘滞摩擦；各关节角度由角度编码器得出，角速度、角加速的由关节角度经一次和二次离线微分得到，由于微分后数据白噪声较高，故设计离线IIR数字滤波器进行滤波处理。

3.根据权利要求1所述的一种液压机械臂末端力软测量方法，其特征在于，步骤1中机械臂最小惯性参数集对应的回归矩阵的线性模型具体如下：

其中，表示回归矩阵，L∈R^p×1表示最小惯性参数集，p表示最小参数集内元素数目，τ为液压驱动力矩。

4.根据权利要求1所述的一种液压机械臂末端力软测量方法，其特征在于，步骤2中所述的有限傅里叶级数表达式如下：

对于第i个关节，正弦项和余弦项的数目均为N，t表示激励轨迹的运行时间，ω_f＝2πf_f为基频，f_f＝1/t，a_l，i、b_l，i、q_i0为待求傅里叶系数，用含约束条件的多元函数求最优的方法求解；为了保证机器人平稳且在能够到达的安全范围之内运行，约束条件如下：

其中，cond_min(Y)表示以回归矩阵Y的条件数最小为优化目标，q(t)表示t时刻的机械臂关节角度；q₀为机械臂初始关节角，当一个周期结束时，t＝t_f，t_f表示终止时刻，机械臂回到机械臂初始关节角q₀，从而能够连续执行下一周期，初始t＝0和结束t＝t_f的速度和加速度设为0，有效避免冲击；q_min、q_max、分别为机械臂运动时角度、角速度和角加速度的最小值和最大值；通过限定角度、角速度、角加速度上下限，保证机械臂在安全的范围内运动。

5.根据权利要求1所述的一种液压机械臂末端力软测量方法，其特征在于，步骤3中所述的回归矩阵Y合并的矩阵，是先计算出各个时刻下的回归矩阵Y_k，k为时间间隔点数，再将所有回归矩阵Y_k合并成一个总矩阵Y：

6.根据权利要求1所述的一种液压机械臂末端力软测量方法，其特征在于，步骤4中所述的动力学参数求解如下，求解之后得到最小惯性参数集L：

L＝(Y^TY)^-1Y^Tτ。