机械臂柔顺控制方法、系统、介质及设备与流程

本发明涉及机器人与环境交互领域，具体地，涉及机械臂柔顺控制方法、系统、介质及设备，更为具体地，涉及无需完整动力学模型和关节力矩反馈的机械臂柔顺控制方法及系统。

背景技术：

1、随着机器人技术的快速发展，人类和机器智能体为了实现共同的目标而进行协作的过程越来越普遍。因为有人类的直接参与，在分析整个系统、数学建模、控制设计的过程中，一定要考虑人的因素。而人是高度复杂的系统，同时又具有非常大的不确定性和个体差异性，这会给数学建模和控制设计、稳定性分析带来很大挑战。

2、目前实现机器人柔顺特性的主流控制方法是阻抗控制。阻抗控制需要先建立预期的机械臂关节与外界力交互所表现出的二阶阻抗模型，然后设计关节力矩控制律，使关节最终对外表现出阻抗特性。然而，精准的阻抗控制律设计，需要满足以下四个条件：1.机器人的动态模型及相关参数已知。这对于机器人的动力学参数辨识提出了很高的要求。通常情况下，机器人的动力学参数并不容易精准获取，因此辨识得到的机器人动态模型与真实模型之间存在偏差。2.机器人关节角、关节角速度、关节角加速度的实时反馈。关节角通常通过关节编码器获取，精度一般能达到几十角秒。角速度通过关节角的差分获取，会有一定的波动，通过滤波后能满足计算要求。角加速度通过关节角速度的差分获取，波动非常大，通常不满足计算要求。3.机器人关节力矩的实时反馈。实时精准测量机器人关节力矩并不是一件容易的事。常见的方法有两种：1)在机械臂本体上增加力(力矩)传感器测量外力(力矩)；2)通过关节电机电流与机械臂动力学模型，估算机械臂受到的外力情况。第一种方法给机器人系统增加了硬件成本，且多传感器的融合使用，对信号采集、系统实时性、控制复杂性带来了更大的挑战。第二种方法对于机械臂外界交互力的估计准确度低，不但受关节电机电流稳定性的影响，也受限于机械臂动力学模型的准确性，其中关节摩擦力模型非常难以辨识，也降低了此方法的识别精度。4.机器人关节输出力矩的精准控制。该项与机器人伺服电机的性能相关。一般机器人并不提供关节力矩控制功能，使用过程存在一定风险。

3、基于以上实现阻抗控制算法的要求及其存在的难点，本发明提出了一种简化的机械臂关节柔顺控制方法。该方法不需要精准的动力学参数辨识，又避免了关节力矩实时反馈所引入的传感器成本与关节电机电流估算模型不准确的问题。当关节运动速度较小时(机械臂在力控模式下，通常运动速度比较小)，机械臂仍能对外体现出阻抗特性。

4、专利文献cn112775964a(申请号：202011598136.9)公开了一种力感知阻抗控制方法，包括感知外力并结合运动控制算法控制机械臂运动；记录机械臂末端运动轨迹；调整轨迹形成复现路径；调解刚度参数实现阻抗控制。所述运动控制算法根据外部力传感器检测的六维力觉信息实现机械臂对外力意图的识别和对运动的精确控制，形成实时检测-执行的闭环控制，所述调整轨迹形成复现路径的调整内容包含运动速度、次序、复现次数等参数，所述力感知阻抗控制方法通过调解机器人刚度参数在复现路径所在空间形成不同类型的刚度场，依据复现时路径偏移量调整机器人运动，实现机器人末端与外界环境接触的柔顺性，完成机器人轨迹复现功能和阻抗运动功能的相互结合。该专利中提到的阻抗控制方法，虽然能实现对外部环境的准确阻抗特性，但仍需六维力传感器检测机械臂的受力信息，从而实现柔顺控制。而六维力传感器价格非常昂贵，大大增加了硬件成本。此外，六维力传感器的信号稳定性、漂移、耦合等问题，都比单维力传感器严重，这给控制系统的稳定性和安全性带来了更大的挑战。因此，该方法在工程实践中受限。而本发明提出的柔顺控制方法，避免了六维力传感器设备的引入，同时也能实现关节对外的柔顺特性，便于在工程应用中推广。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机械臂柔顺控制方法、系统、介质及设备。

2、根据本发明提供的一种机械臂柔顺控制方法，包括：

3、步骤s1：建立机械臂关节力矩控制律，实现机械臂对外的柔顺特性；

4、步骤s2：建立机械臂动力学模型，辨识动力学参数；

5、步骤s3：根据机械臂关节力矩控制律以及机械臂动力学模型，得到机械臂对外界作用力的响应，实现机械臂关节对外力实现柔顺适应效果。

6、优选地，所述步骤s1采用：建立基于voigt模型的阻抗控制模型；利用所述阻抗控制模型表示关节受到外力时表现出的动态特性。

7、优选地，所述步骤s2采用：对于多关节串联机械臂，采用拉格朗日方程建立关节空间的动力学方程；

8、对于多关节的串联机械臂，通过关节的三维模型与材质获取关节的质量及转动惯量信息；或通过动力学参数辨识实验，获得最小惯性参数集，从而建立精确的动力学模型。

9、优选地，所述步骤s3采用：简化机械臂关节力矩控制律，包括：补偿机器人受到的非线性力矩的作用以及pd控制；

10、所述补偿机器人受到的非线性力矩的作用包括：科里奥利效应和重力效应；

11、将简化后的机械臂关节力矩空置律代入动力学方程；

12、在新的控制律下实现关节对外力的柔顺适应效应。

13、根据本发明提供的一种机械臂柔顺控制系统，包括：

14、模块m1：建立机械臂关节力矩控制律，实现机械臂对外的柔顺特性；

15、模块m2：建立机械臂动力学模型，辨识动力学参数；

16、模块m3：根据机械臂关节力矩控制律以及机械臂动力学模型，得到机械臂对外界作用力的响应，实现机械臂关节对外力实现柔顺适应效果。

17、优选地，所述模块m1采用：建立基于voigt模型的阻抗控制模型；利用所述阻抗控制模型表示关节受到外力时表现出的动态特性。

18、优选地，所述模块m2采用：对于多关节串联机械臂，采用拉格朗日方程建立关节空间的动力学方程；

19、对于多关节的串联机械臂，通过关节的三维模型与材质获取关节的质量及转动惯量信息；或通过动力学参数辨识实验，获得最小惯性参数集，从而建立精确的动力学模型。

20、优选地，所述模块m3采用：简化机械臂关节力矩控制律，包括：补偿机器人受到的非线性力矩的作用以及pd控制；

21、所述补偿机器人受到的非线性力矩的作用包括：科里奥利效应和重力效应；

22、将简化后的机械臂关节力矩空置律代入动力学方程；

23、在新的控制律下实现关节对外力的柔顺适应效应。

24、根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的机械臂柔顺控制方法的步骤。

25、根据本发明提供的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的机械臂柔顺控制方法的步骤。

26、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

27、1、基于本发明提供的机械臂柔顺控制方法能够实现更精确的运动控制；

28、2、基于本发明提供的机械臂柔顺控制方法能够优化机械臂的运动轨迹和控制策略，减少能量消耗；

29、3、基于本发明提供的机械臂柔顺控制方法能够根据外部环境和任务需求实时调整控制策略，增强系统的适应性和灵活性。