[发明专利]基于电流和弹性变形相融合的变刚度关节外力估计方法

说明书

本发明提供了一种基于电流信息的变刚度关节外力估计方法，将关节总体输出力矩设置为位置驱动模块和刚度调节模块的输出力矩之和，更接近实际输出力矩，从而提高了基于电流信息外力估计的准确性；并且动力学模型中的参数均可通过测量或动力学参数辨识得到，进一步减少了模型误差对外力估计的影响。本发明提供了一种基于电流和弹性变形相融合的变刚度关节外力估计方法，提高了动态刚度下外力估计分辨率，能够精准的实现变刚度关节的高精度的外力估计。

技术领域

本发明属于机器人变刚度关节技术领域，具体涉及一种基于电流和弹性变形相融合的变刚度关节外力估计方法。

背景技术

本申请是申请日为2023年1月18日、申请号为2023100885343、发明名称为“一种变刚度关节外力估计方法和装置”的专利的分案申请。

变刚度关节具有柔顺性能，被广泛应用于机器人与周围环境交互的场景中。在复杂的交互任务中，高精度外力感知是未来重要的发展方向。传统的外力感知主要是通过外加力传感器实现，然而外加力传感器成本高，同时受复杂结构、额外安装空间等约束，其应用受到了限制。

近几年，力传感器以外的外力感知方式得到发展。中国专利201410112717.5公开了一种基于H。。滤波的机械臂外力估计方法，推导出不显含加速度的动力学模型，将外力看作是状态空间方程的状态变量，基于H。。滤波实现外力的估计。中国专利202210279718.3公开了一种基于机理数据混合模型的机械臂触觉外力估计方法，基于电流信息对外力进行估计，利用高斯过程回归的监督统计学习方法，基于数据集训练未建模残余动态模型补偿项，从而对未知扰动进行补偿。中国专利202210207511.5公开了一种基于位形雅可比条件数优化的机器人外力估计方法及系统，使用广义动量观测器估计机器人受到的外部作用力，并通过摩擦力准确建模提高观测器的外力估计精度，基于位形雅可比条件数优化对机器人位形进行筛选，抑制关节力矩噪声和建模误差对外力估计的影响。

然而基于电流信息的外力估计，需要精确的动力学模型，对于变刚度关节来说，其采用了位置电机和刚度调节电机双驱动的配置形式，动力学模型的复杂程度以及动态未建模残余部分制约着外力估计效果。

由于变刚度关节具有内部柔顺性能，还可通过检测关节内部弹性变形估计外力，但是该方法在准静态刚度下具有较好的外力估计效果，在动态刚度下，其外力估计效果往往较差。

此外，对于杠杆式变刚度关节，在不同刚度下关节的最大允许外力矩是不同的，忽略该因素会导致检测力矩饱和输出。

因此，如何实现变刚度关节的高精度的外力估计，是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中动力学模型的复杂程度以及动态未建模残余部分制约着外力估计效果的缺陷，本发明提供了一种基于电流信息的变刚度关节外力估计方法，关节总体输出力矩为位置驱动模块和刚度调节模块的输出力矩之和，更接近实际输出力矩，提高了基于电流信息外力估计的准确性；动力学模型中的参数均可通过测量或动力学参数辨识得到，进一步减少了模型误差对外力估计的影响。

针对现有技术中，需要实现变刚度关节的高精度的外力估计的问题，本发明提供了一种基于电流和弹性变形相融合的变刚度关节外力估计方法，提高了动态刚度下外力估计分辨率，能够精准的实现变刚度关节的高精度的外力估计。

具体的，本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

本发明提供的一种基于电流信息的变刚度关节外力估计方法，包括以下步骤：

建立位置驱动模块和刚度调节模块的动力学模型：