基于連接和阻尼配置的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的阻抗控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械臂控制方法，尤其涉及一種基于連接和阻尼配置的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械 臂的阻抗控制方法，屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人口老齡化和勞動(dòng)力資源匱乏等現(xiàn)象日益嚴(yán)重，迫切的需要機(jī)械臂代替人類 實(shí)現(xiàn)部分操作。近些年來，隨著機(jī)械臂技術(shù)的快速發(fā)展，小型化、輕量化機(jī)械臂已經(jīng)逐漸地 應(yīng)用于先進(jìn)服務(wù)領(lǐng)域，如空間探索、醫(yī)療和服務(wù)等行業(yè)。與工業(yè)機(jī)械臂比較，該類機(jī)械臂對 靈巧性和安全性提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在：輕質(zhì)量、高負(fù)載/自重比、豐富的感知系 統(tǒng)等。諧波減速器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、無齒側(cè)間隙、高負(fù)載自重比等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于輕型機(jī) 械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)更好的人及協(xié)調(diào)，保證人在人機(jī)協(xié)調(diào)中的安全，輕型 機(jī)械臂需要感知外界對其施加的力和力矩，力矩傳感器也被引入到輕型機(jī)械臂關(guān)節(jié)中，然 而，諧波減速器和力矩傳感器導(dǎo)致了輕型機(jī)械臂的關(guān)節(jié)柔性，如何克服關(guān)節(jié)柔性對控制性 能的影響成為當(dāng)前研宄的熱點(diǎn)問題。
[0003] 相對于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械臂，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的控制相對于傳統(tǒng)的以工業(yè)機(jī)器人為 代表的剛性機(jī)械臂控制的難點(diǎn)主要在于：控制力矩?zé)o法直接作用到關(guān)節(jié)端，而是需要通過 彈簧阻尼系統(tǒng)傳遞到關(guān)節(jié)端，柔性使得輕型機(jī)械臂關(guān)節(jié)存在殘余振動(dòng)，導(dǎo)致控制困難。針 對柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的控制方法，大量的學(xué)者進(jìn)行了廣泛地研宄，歸納起來主要包括以下幾 種方法：奇異攝動(dòng)法，解耦控制和積分反步法，基于無源性理論的控制方法等。奇異攝動(dòng)方 法只適用于較高剛度的機(jī)械臂控制；解耦控制和積分反步法計(jì)算量過大，并且關(guān)節(jié)慣性矩 陣的求逆的過程可能會(huì)導(dǎo)致病態(tài)矩陣；在輕型機(jī)械臂振動(dòng)抑制方面，能量整形等方法使得 控制存在較大的延遲，影響了輕型機(jī)械臂的響應(yīng)速度?；跓o源性理論的關(guān)節(jié)控制器具有 算法簡單、便于工程應(yīng)用、跟蹤性能好等優(yōu)點(diǎn)，更適合多自由度柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的應(yīng)用。基 于無源性理論的控制器已經(jīng)在DLR的輕型機(jī)械臂中得到了應(yīng)用，并且取得了優(yōu)秀的控制效 果。
[0004] 傳統(tǒng)的基于無源性理論方法是建立在Lyapunov穩(wěn)定性理論的基礎(chǔ)上的，該方法 雖然實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的能量整形，但缺少從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置層面去思考各參數(shù)的作用?，F(xiàn)有的 柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂，由于關(guān)節(jié)柔性較大導(dǎo)致柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂帶寬小、響應(yīng)慢，機(jī)械臂殘余振動(dòng) 大；而且動(dòng)力學(xué)建模困難，致使柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制律較為復(fù)雜，導(dǎo)致控制器運(yùn)算量大，控 制律設(shè)計(jì)復(fù)雜，不易調(diào)節(jié)控制參數(shù)，抖動(dòng)大等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提出一種基于連接和阻尼配置的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的阻抗控制方 法，以解決傳統(tǒng)的機(jī)械臂控制方法在柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制中，殘余振動(dòng)大，無法達(dá)到穩(wěn)定控 制的目的問題。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明所述的一種基于連接和阻尼配置的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的阻抗控制方法，是按 照以下步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 步驟一、通過CAD三維模型得到柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，包括幾何 參數(shù)、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
[0009] 步驟二、通過參數(shù)辨識得到柔性關(guān)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)，包括關(guān)節(jié)剛度矩陣K、關(guān)節(jié)阻尼 矩陣D、關(guān)節(jié)摩擦力矩τ ?;
[0010] 步驟三、建立柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程，并將其改寫為端口受控的 Hamiltonian狀態(tài)方程；
[0011] 步驟四、基于步驟二獲得的關(guān)節(jié)剛度矩陣K和關(guān)節(jié)阻尼矩陣D，建立基于電機(jī)位置 的重力和外力補(bǔ)償算法；
[0012] 步驟五、基于柔性關(guān)節(jié)電機(jī)位置信息的機(jī)械臂重力和外力補(bǔ)償值的求??；
[0013] 步驟六、電機(jī)位置信息在期望平衡位置處的最小Hamiltonian函數(shù)值的求?。?br>[0014] 步驟七、根據(jù)匹配方程求解得到阻抗控制中的期望連接矩陣和阻尼矩陣；
[0015] 步驟八、基于連接矩陣和阻尼矩陣的柔性關(guān)節(jié)阻抗控制律的獲取。
[0016] 與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0017] 1、本發(fā)明方法在柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂阻抗控制中，控制器運(yùn)算量小，適合在多自由度 機(jī)械臂上應(yīng)用。
[0018] 2、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂閉環(huán)系統(tǒng)的能量整形和結(jié)構(gòu)配置，從系統(tǒng)自 身物理性質(zhì)出發(fā)推導(dǎo)出合適的控制律，使得控制律設(shè)計(jì)得到簡化，方便調(diào)節(jié)控制參數(shù)。
[0019] 3、本發(fā)明通過注入耦合阻尼，提高了機(jī)械臂抑制抖動(dòng)的能力。
[0020] 4、本發(fā)明對阻抗控制剛度沒有限制，應(yīng)用中可以任意的改變期望剛度以提高環(huán)境 的適應(yīng)能力和人機(jī)交互的安全性。
[0021] 5、本發(fā)明采用的基于電機(jī)位置的重力和外力補(bǔ)償，適用于低剛度的阻抗控制，對 機(jī)器人硬件要求較低。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0023] 圖2(a)是傳統(tǒng)的柔性關(guān)節(jié)控制模型示意圖，其中K為關(guān)節(jié)剛度，D為關(guān)節(jié)阻尼，B 為電機(jī)慣量，1為連桿，2為電機(jī)，3為連桿，；
[0024] 圖2(b)是本發(fā)明所述的柔性關(guān)節(jié)控制模型示意圖，其中K為關(guān)節(jié)剛度，D為關(guān)節(jié) 阻尼，B為電機(jī)慣量，K 0為比例增益，r 4為電機(jī)端注入的自阻尼，r 5為電機(jī)端和關(guān)節(jié)端之間 注入的耦合阻尼，γ為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的尺度，1為連桿，2為電機(jī)，3為連桿，圖中虛線圈 標(biāo)記出了本圖相對于圖2(a)添加的內(nèi)容；
[0025] 圖3是6自由度柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂在不同位置施力的實(shí)驗(yàn)圖，從左至右的順序?yàn)椋旱?一幅圖代表腕部施力，第二幅圖代表前臂施力，第三幅圖代表肘部施力，第四幅圖代表上臂 施力；
[0026] 圖4是6自由度柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂阻抗控制中，在笛卡爾空間坐標(biāo)系下，機(jī)械臂位 置誤差隨時(shí)間變化曲線圖，圖中（a)代表腕部受力，（b)代表前臂受力，（c)代表肘部受力， (d)代表上臂受力，X-一代表在笛卡爾空間坐標(biāo)系下X方向的位置誤差；y-一代表在笛卡 爾空間坐標(biāo)系下y方向的位置誤差；z-一代表在笛卡爾空間坐標(biāo)系下y方向的位置誤差；
[0027] 圖5是6自由度柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂阻抗控制中，在笛卡爾空間坐標(biāo)系下，機(jī)械臂受 到的接觸力隨時(shí)間變化曲線圖，圖中（a)代表腕部受到的接觸力，（b)代表前臂受到的接觸 力，（c)代表肘部受到的接觸力，（d)代表上臂受到的接觸力，F(xiàn)x--代表在笛卡爾空間坐 標(biāo)系下X方向受到的接觸力的變化曲線，F(xiàn)y-一代表在笛卡爾空間坐標(biāo)系下y方向受到的 接觸力的變化曲線，F(xiàn)z-一代表在笛卡爾空間坐標(biāo)系下z方向受到的接觸力的變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 一：本實(shí)施方式所述的一種基于連接和阻尼配置的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂 的阻抗控制方法，包括以下步驟：
[0030] 步驟一、通過CAD三維模型得到柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，包括幾何 參數(shù)、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
[0031] 步驟二、通過參數(shù)辨識得到柔性關(guān)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)，包括關(guān)節(jié)剛度矩陣K、關(guān)節(jié)阻尼 矩陣D、關(guān)節(jié)摩擦力矩τ ?;
[0032] 步驟三、建立柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程，并將其改寫為端口受控的 Hamiltonian (port control Hamiltonian, PCH)狀態(tài)方程；
[0033] 步驟四、基于步驟二獲得的關(guān)節(jié)剛度矩陣K和關(guān)節(jié)阻尼矩陣D，建立基于電機(jī)位置 的重力和外力補(bǔ)償算法；
[0034] 步驟五、基于柔性關(guān)節(jié)電機(jī)位置信息的機(jī)械臂重力和外力補(bǔ)償值的求??；
[0035] 步驟六、電機(jī)位置信息在期望平衡位置處的最小Hamiltonian函數(shù)值的求??；
[0036] 步驟七、根據(jù)匹配方程求解得到阻抗控制中的期望連接矩陣和阻尼矩陣；
[0037] 步驟八、基于連接矩陣和阻尼矩陣的柔性關(guān)節(jié)阻抗控制律的獲取。結(jié)合圖1理解 本實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】 [0038] 二：本實(shí)施方式與一不同的是：步驟三所述的建立 柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程，并將其改寫為端口受控的Hamiltonian (port control Hamiltonian, PCH)狀態(tài)方程的具體過程為：
[0039] 基于彈簧阻尼模型的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程為：
[0040]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于連接和阻尼配置的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的阻抗控制方法，其特征在于所述方法 包括以下步驟： 步驟一、通過CAD三維模型得到柔性關(guān)節(jié)