[发明专利]一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法

说明书

本发明提供一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法，采用基于关节运动方程的负载力矩增量补偿的控制方法，属于仿人柔性手臂控制领域。所述方法包括：针对仿人柔性关节手臂因负载突变引起运动过程中关节振动的问题，提出一种负载力矩增量补偿的控制方法，并以零转角加速度、零转角增量为控制目标构建柔性关节系统变负载时的控制方程。本发明方法通过负载力矩增量补偿避免了柔性关节机械臂在变负载时产生的转角加速度，从而避免了负载突变时柔性关节机械臂的振动问题。相较于其他振动抑制方法，在不增加额外硬件结构和复杂算法的前提下，实现了变负载工况下仿人柔性关节机械臂的振动抑制，提高了仿人柔性手臂的适应性和实用性。

技术领域

本发明涉及仿人柔性手臂控制领域，具体提供一种适用于负载突变时的仿人柔性关节手臂振动抑制方法。

背景技术

随着工业现场的复杂度增加、航空航天领域的不断发展以及机器人在服务产业中的应用，机械臂的工作任务逐渐从原本的粗放操作任务转变为无预设环境的接触性任务。与传统刚性机械臂相比，仿人柔性手臂具备了更好地模仿人类手臂的“柔顺性”的能力，可以更好地适应复杂的作业环境；然而，更复杂的任务环境和作业目标也使仿人柔性手臂需要时刻应对系统负载的变化。受柔性元件固有特性的约束，柔性关节自身阻尼低、稳定性差，易受外界干扰，这意味着如果柔性关节在运动过程中发生状态突变，会产生长时间较大幅值的结构振动，且难以在短时间内依靠自身结构阻尼恢复平稳。若不对负载突变引起的振动加以控制，会明显降低柔性关节对变负载工况的适应能力，影响柔性臂的控制精度、作业效率及使用寿命。传统的振动抑制方式分为主动控制和被动控制，多数解决方案从改变关节硬件结构或采用复杂控制算法这两种方式来应对关节振动，但此类方案存在硬件设计要求高、结构复杂等问题，以及算法实现困难、运算过程繁杂等问题，难以较好的解决仿人柔性手臂振动抑制问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法，主要解决含有柔性元件的仿人柔性关节手臂在负载突变时的振动问题。本发明基于负载力矩增量补偿的方法，在不引入额外硬件结构的基础上，通过控制驱动电机产生补偿力矩增量以抵消负载力矩增量，避免在负载突变后产生手臂转角加速度，从而有效抑制负载突变带来的振动问题；其技术内容包括：

一种仿人柔性关节手臂变负载工况下的振动抑制方法，采用基于负载力矩增量补偿的方法对仿人柔性手臂振动过程进行抑制；其特征在于：

所述基于负载力矩增量补偿控制的方法，当产生负载力矩增量时，以手臂转角加速度手臂运动转角增量Δθ＝0为期望控制目标，控制方程表示为：

其中，为应对负载变化而产生的扭转弹簧弹性力矩增量；为负载力矩；k为关节扭转弹簧刚度系数；R_f为连杆旋转摩擦系数；1/n为关节谐波减速器减速比；θ₁为关节驱动电机输出转角；θ、分别为手臂连杆转角、转速；

在Δθ＝0的期望控制目标下，完全由电机输出转角增量提供：

其中，Δθ₁为关节驱动电机端输出转角增量；

所述控制方法的具体实施包括以下步骤：

步骤一、建立仿人柔性关节手臂连杆的运动学一般方程，以获取连杆运动加速力矩、关节弹性力矩、负载重力矩的平衡关系；

步骤二、建立系统静止或匀速状态下连杆零加速力矩运动学方程，以获取在负载力矩不变的情况下，关节弹性力矩与负载力矩的平衡关系；

步骤三、以步骤二建立的运动学方程为基础，在负载力矩增量为时，以手臂转角加速度手臂运动转角增量Δθ＝0为期望控制目标，通过负载力矩增量补偿的控制方法，建立手臂连杆新的运动学方程；