[发明专利]一种变刚度串联弹性驱动器的机器人关节自适应控制方法

摘要

本发明公开了一种变刚度串联弹性驱动器的机器人关节自适应控制方法，基于自然运动学，根据在反共振频率下能耗次优规律，提出由反共振频率计算并调整关节刚度，对系统能耗进行优化。在基于能耗优化，得到最优关节刚度的基础上，分别建立电机一模型和VSEA动力学模型，并根据动力学模型提出了一种基于VSEA的机器人关节自适应控制方法，并证明该种控制方法的渐近稳定性。与传统的控制方法相比，该方法能够通过改变自适应律改变控制器参数，从而对动力学模型中的不确定项进行实时估计和补偿，有效解决了传统控制方法不能够解决的动力学参数不确定性问题，减小跟踪误差，提高控制精度和稳定性，并且能够大幅降低能耗，提高能量利用效率。

主权项

1.一种变刚度串联弹性驱动器的机器人关节自适应控制方法，其特征在于：所述变刚度串联弹性驱动器包括串联弹性执行器、电机一和电机二，所述串联弹性执行器以下称VSEA，所述VSEA包括一组并联连接的粗弹簧和细弹簧，并且该组弹簧由中间的变刚度滑块隔成串联连接的两部分，变刚度滑块在电机二的驱动下在弹簧上移动，进而改变弹簧的有效耦合长度；所述电机一为驱动电机，其通过减速器减速增矩，输出转角θ和转矩τ，输出转角θ和转矩τ作为输入驱动VSEA，经过VSEA中弹性元件的作用，对外输出实际机器人轨迹q和转矩τ0，进而驱动机器人运动，并且对外呈柔性驱动；所述电机二为变刚度电机，其通过改变中间刚度滑块的位置，进而改变粗细弹簧的耦合长度Na，从而改变系统刚度K(Na)，实现机器人关节刚度变化；所述自适应控制方法包括以下步骤：步骤一、对基于VSEA的机器人关节进行建模，得到机器人关节的动力学模型，并确定模型参数；步骤二、对VSEA变刚度系统进行数学建模，得到VSEA系统刚度变化数学模型；步骤三、对机器人关节轨迹进行规划，得到机器人的工作频率，并根据VSEA系统刚度变化数学模型，基于自然动力学调整系统刚度，使系统工作频率与系统反共振频率保持一致；步骤四、根据机器人关节的动力学模型，建立李雅普诺夫方程，推导得到自适应控制器和自适应率。