[发明专利]一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法

说明书

本发明提供一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法，采用基于虚拟阻尼、惯量参数的控制方法，属于仿人柔性手臂控制领域。所述方法包括：针对柔性关节因柔性元件的引入造成系统阻尼减小从而使系统稳定性降低的问题，采用引入虚拟阻尼、惯量参数的方法，建立了基于虚拟阻尼、惯量的柔性关节模型，构建引入虚拟阻尼、惯量参数的控制方程，为柔性关节系统增加虚拟惯量和阻尼特性，以提高系统阻尼比，提高系统稳定性。本发明方法通过引入虚拟阻尼、惯量参数的方法，在不增加额外硬件结构和复杂算法的前提下，增大了柔性关节系统阻尼比，提高了仿人柔性手臂系统稳定性，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，具体提供一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法。

背景技术

随着机器人在工业现场、服务行业、航空航天等领域的应用不断扩大，对机器人系统的控制要求越来越高。仿人柔性手臂相较于刚性关节机械臂能够更好地模仿人类手臂的“柔顺性”，可以更好的执行无预设环境的接触性任务。然而，低刚度特性的柔性元件的引入，使仿人柔性手臂系统阻尼明显降低，导致系统稳定性变差，难以达到期望的控制要求，严重的可能导致机械臂失控，造成机械臂损坏或破坏应用现场环境等问题。现有的仿人柔性手臂稳定性控制方法分为被动控制和主动控制，被动控制通常采用改变柔性关节硬件结构以加大关节机械阻尼的方式提高关节系统稳定性，主动控制方法通过增加各类复杂的轨迹跟踪算法，使柔性臂工作在平衡位置附近，来近似认为增加了柔性手臂系统稳定性。而这两类传统的控制方法势必会面临关节硬件结构设计复杂、关节结构重量增加等问题，以及控制器算法实现难度增大、系统响应时间延长等问题，均难以较好的实现提高仿人柔性手臂系统稳定性的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种有效应对仿人柔性手臂稳定性较差的问题的方法，主要解决含有柔性元件的仿人柔性手臂系统的稳定性控制问题。本发明基于虚拟阻尼、惯量的仿人柔性手臂稳定性控制方法，在不引入额外硬件结构的基础上，有效增加了柔性关节系统的阻尼比，缩短了关节受扰动后恢复稳定的时间，提高了关节系统稳定性；且虚拟阻尼、惯量参数的取值不受硬件限制，易于调整、实现。其技术内容包括：

一种仿人柔性手臂系统稳定性控制方法，采用调整虚拟阻尼、惯量参数的方法提高仿人柔性手臂系统的稳定性，其特征在于：

采用调整虚拟阻尼、惯量参数的方法提高仿人柔性手臂系统稳定性的控制方程为：

其中，J^*、D^*分别为引入的虚拟惯量参数与虚拟阻尼参数；T_ref为额定输出转矩，实际控制中与负载转矩相等；T_e为驱动电机瞬时电磁转矩，nT_e为电机经减速器后输出到扭转弹簧的等效电磁转矩，n为减速器减速比；为连杆转速；为驱动电机经减速器后输出的转速；D^*为虚拟阻尼参数，J^*为惯量其中J^*与系统动态响应速度成反比，D^*与系统振荡衰减速度成正比，理论上虚拟参数满足全范围取值，可根据系统期望状态调节虚拟参数的取值，实际应用中受直流测电源性能约束；

引入虚拟阻尼、惯量参数后，柔性关节二阶微分模型的一般形式为：

其中，D为柔性关节总阻尼，表示为D＝D₁+D^*，D₁为关节固有阻尼；M为柔性关节总转动惯量，表示为M＝I₁+I_j1+J^*，I₁为连杆转动惯量，I_j1为关节固有转动惯量；J为电机转子经减速器后的输出惯量；θ为电机经减速器后转动角度；为电机经减速器后角加速度；q为连杆转动角度；为连杆转动角速度；τ_m为电机输出力矩；k为弹簧缸扭转弹簧钢度系数；m为手臂连杆质量；g为重力加速度系数，取9.8N/kg；l为手臂连杆长度。