一种机器人关节力矩控制系统及其负载补偿方法与流程

本发明属于机器人关节运动控制技术领域，具体涉及一种机器人关节力矩控制系统及其负载补偿方法。

背景技术：

近年来，机器人在社会各行各业中应用越来越广泛，使机器人的研究成为一大热点。机器人常用的驱动方式有电机驱动、液压驱动和气动驱动。电机驱动具有结构紧凑、控制简便、传动效率高、控制精度高等优势，目前是机器人领域最常用的驱动方式。机器人关节通常由伺服电机、齿轮减速器和编码器等组成，并采用典型的位置控制系统，但其足部触底或接触障碍物时，若继续采用位置控制系统会造成较大刚性冲击，导致机器人行走奔跑等作业不稳定。此时关节切换成力矩控制系统，才能有效的减缓冲击，提高机器人的整体稳定性。

目前力矩控制方案有以下几种：①串联弹性驱动器(sea)，在驱动端和关节负载端之间串联弹性元件，具有低输出阻抗、抗冲击性等显著优点，但其输出带宽低，输出力矩较小。②mitcheetah采用半直驱驱动器(quasidirectdrive)，采用大扭矩电机+小减速比减速器方案，利用内部电流环反馈实现低成本力控，目前只用在小型的四足机器人中。③关节驱动单元采用大扭矩伺服电机+较大减速比器+力矩传感器的控制方案，并实现较大的力矩输出，可满足重型机器人快速行走、跑、跳等高动态任务。

为了实现机器人高动态任务，必须采用扭矩伺服电机+较大减速比器+力矩传感器的控制方案。目前机器人关节力矩控制系统常采用有pd控制、定量反馈控制、鲁棒控制等控制方法。pd控制是目前工程项目中最常用的控制方法之一，其基于输入控制系统的误差量进行调节，无需对被控对象进行建模，同时调试简单且易于实现，但在单一地采用pd控制时，为追求较好的控制性能，往往控制参数设置过大，易导致系统不稳定。该方法仍要搭配其他补偿控制方法，才能使其控制性能更佳。而定量反馈控制、鲁棒控制等多种先进控制方法，虽能起到很好的控制效果，但控制方法模型比较复杂，其研究工作多为仿真分析或仅限于实验室完成。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种机器人关节力矩控制系统及其负载补偿方法，消除负载参数对系统实际力矩输出的影响，改善关节力矩控制系统性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种机器人关节力矩控制系统负载补偿方法，关节端速度经过负载补偿控制器补偿后的电流if与原电流环输入指令ir累加后，作为关节力矩控制系统电流环输入指令，有效补偿负载参数对关节力矩控制系统输出力矩的影响。

进一步，所述负载补偿控制器为其中n为齿轮减速器减速比，kv为伺服电机速度反馈系数，ka为电流环控制参数。

更进一步，所述关节力矩控制系统开环传递函数为：

其中：惯性环节的转折频率开环增益kpd为pd控制器参数，kt为伺服电机力矩系数，l为伺服电机电感，r为伺服电机电阻。

更进一步，当增大pd控制器参数kpd，系统开环增益ko随之增大，关节力矩控制系统穿越0分贝线时的截止频率增大，即系统带宽增大，从而提升系统快速性。

一种关节力矩控制系统，包括关节本体和控制系统，所述关节本体包括伺服电机、齿轮减速器、力矩传感器、绝对值编码器，伺服电机输出轴与齿轮减速器刚性固连，齿轮减速器与关节端负载通过力矩传感器刚性连接，绝对值编码器安装关节端负载处；所述控制系统包括依次信号连接的比较器i、力矩环控制器、比较器ii和电流环控制器。

上述技术方案中，所述力矩传感器用于检测关节端实际力矩；所述伺服电机内部安装电流传感器，用于检测伺服电机实际输出电流；所述绝对值编码器用于检测关节端负载实际位置。

上述技术方案中，所述控制系统中，给定电流与伺服电机实际输出电流电流比较做差，经过比较器ii，控制伺服电机电流输出，形成内部电流环；给定力矩与关节端实际力矩比较做差，再经过比较器i以及内部电流环，控制关节力矩输出，形成外部为力矩环。

本发明的有益效果为：本发明首先针对机器人关节力矩控制系统进行数学建模，并对其系统控制原理框图进行等价变形，分析得到负载参数对实际力矩输出有一定的影响；然后，通过设计负载补偿控制器，消除负载参数对系统实际力矩输出的影响；在此补偿基础上，将系统等效成惯性环节，通过调整pd控制器参数，增大系统开环增益，以提高系统带宽，进而改善关节力矩控制系统性能。本发明的补偿方法无需建立复杂的数学模型，应用简单，特别适用于工程项目中。

附图说明

图1为本发明所述机器人关节力矩控制系统图；

图2为本发明所述机器人关节力矩控制系统原理框图；

图3为本发明初变形的关节力矩控制系统框图；

图4为本发明次变形的关节力矩控制系统框图；

图5为本发明加入负载补偿控制器后的关节力矩控制系统框图；

图6为本发明图5等效变形后的关节力矩控制系统原理框图；

图7为本发明关节力矩控制系统开环伯德图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，机器人关节力矩控制系统由关节本体和控制系统组成。关节本体由伺服电机、齿轮减速器、力矩传感器、绝对值编码器组成，伺服电机输出轴与齿轮减速器刚性固连，齿轮减速器与关节端负载通过力矩传感器刚性连接，力矩传感器用于检测关节端实际力矩；电流传感器安装在伺服电机内部，用于检测伺服电机实际输出电流，绝对值编码器安装关节端负载处，用于检测关节端负载实际位置。控制系统由比较器i、力矩环控制器、比较器ii和环电流控制器组成，通过给定电流与伺服电机实际输出电流电流比较做差，再经过比较器ii，控制伺服电机电流输出，形成内部电流环；通过给定力矩与关节端实际力矩比较做差，再经过比较器i以及内部电流环，控制关节力矩输出，形成外部为力矩环。

根据机器人关节力矩控制系统原理图，机器人力矩控制系统数学建模如下：

伺服电机采用电流闭环，其输出电压uc为：

uc＝ka(ir-kiia)(1)

其中，ka为电流环控制参数，ir为电流环输入指令，ki为伺服电机电路环反馈系数，ia为实际电流值；电流环输入指令ir由关节力矩误差et与pd控制器参数kpd相乘得到，关节力矩误差et由关节给定力矩tr与关节端实际力矩tp相减得到；

伺服电机电压平衡方程为：

其中，e为伺服电机反电动势，且n为齿轮减速器减速比，kv为伺服电机速度反馈系数，θ为关节端实际位置，为关节端实际速度，l为伺服电机电感，r为伺服电机电阻；

伺服电机输出力矩为：

tm＝iakt(3)

其中，kt为伺服电机力矩系数。

由于力矩传感器刚度较大，因此忽略其弹性形变，则电机输出端与关节端实际力矩输出之间的关系为：

tp＝ntm(4)

其中，tm为伺服电机输出力矩，tp为关节端实际力矩；

关节端转矩平衡方程为：

其中，jm为折算到关节端负载上的总转动惯量，为负载、力矩传感器、齿轮减速器和伺服电机以及其他元件的折算转动惯量和，bm为折算到关节端负载上的总粘性阻尼系数，为负载、齿轮减速器和伺服电机的折算粘性阻尼系数和，g为关节端重力项；对于关节端重力项g，通过重力补偿等方法消除重力项对系统输出的影响(现有技术)，本发明不考虑重力项的影响。

联立式(1)-(5)，并经过拉普拉斯变换，建立机器人关节力矩控制系统原理框图，如图2所示。

对图2的框图进行等效变换，将节点a后移(跨越ka)至节点b处，得到初变形的关节力矩控制系统框图，如图3所示。

由于图3中的闭环1为典型的闭环反馈回路，按照闭环反馈的简化规则进行整理，得到次变形的关节力矩控制系统框图，如图4所示。

由图4可以看出，负载参数jm和bm经过回路a对系统实际力矩输出存在一定影响(负载参数会减小系统实际力矩输出)，负载参数越大，对系统实际输出力矩造成的干扰影响就越大。

为了消除负载参数对关节力矩控制系统的影响，因此设计负载补偿控制器，选择关节端速度(可将关节端实际位置信号θ经过微分处理之后得到)信号值，经过负载补偿控制器补偿后的电流if，if与ir相加后作为电流环输入指令。其原理如下：在节点c处，经过回路c后数值，与经过回路b后的数值大小相等，符号相反，两者相互抵消，即可消除负载参数对力控系统的影响，如图5所示。

在节点c处有：

因此，负载补偿控制器为：

通过负载补偿控制器有效地消除负载参数对输出力矩的影响，整个关节力矩控制系统等效变换，得到变形后的关节力矩控制原理框图，如图6所示。

该机器人关节力矩控制系统开环传递函数为：

式中：惯性环节的转折频率开环增益

该系统为典型的惯性环节，当调节pd控制器参数kpd，系统开环增益也随之改变，其伯德图也会发生变化。如图7所示，当开环增益ko增大到k'o，即ko＜k'o时，关节力矩控制系统开环伯德图整体上移，导致系统穿越0分贝线时的截止频率增大，即ω1＜ω2，ω1是开环增益为ko时系统的截止频率，ω2是开环增益为ko′时系统的截止频率；因为开环传递函数伯德图开环截止频率也就是系统带宽，因此系统带宽增大，进而提升系统快速性，改善系统控制性能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。