[发明专利]基于关节扭矩传感器的关节摩擦力观测方法及装置

说明书

本申请实施例提供一种基于关节扭矩传感器的关节摩擦力观测方法及装置，方法包括：确定协作机器人的电机动力学方程；根据所述电机动力学方程，确定关节摩擦力的观测方程；本申请够实时准确的观测出关节摩擦力和电机电流偏置，无需考虑并辨识摩擦力模型，无需考虑温度、压力、位置、速度等对关节摩擦力的影响，也无需考虑摩擦死区来消除速度噪声的影响。

技术领域

本申请涉及计算机技术领域，具体涉及一种基于关节扭矩传感器的关节摩擦力观测方法及装置。

背景技术

协作机器人具有人机友好、能够适应复杂工作环境的特点，其被广泛应用于各种复杂的人机交互场景中。因而需要具有较高的安全性和可靠性，协作机器人需要对未知的工作环境表现出足够的柔顺性。在硬件上，为了提高协作机器人的负载自重比，协作机器人通常采用谐波减速器；在控制策略上，需要使用基于模型的导纳或是阻抗控制算法。

良好的位置控制或力矩控制需要较为准确的机器人模型。机器人的模型主要包括几何参数、惯量参数和关节摩擦力。几何参数可以通过CAD模型获取，也可以通过激光跟踪仪进行更为精确的标定；惯量参数的最小线性组合(基础参数集)与关节位置、速度、加速度、关节力矩之间具有良好的线性关系，可以通过精确的CAD建模或是辨识得到；协作机器人中使用谐波的减速器，在关节中引入了不可忽略的具有本质非线性的关节摩擦力。

无法精确建模的关节摩擦力始终制约着基于模型的控制方法的性能，现在较为通用的关节摩擦力模型主要包括三次多项式模型、库仑加粘性摩擦模型和Stribeck模型。这些模型都只能够近似的反映关节的摩擦力，且没有考虑关节摩擦力随关节温度、压力、位置、速度等状况的变化。基于模型辨识得到的摩擦力模型，得到的只是辨识时刻关节摩擦力的一种平均化的近似(没有考虑温度、压力、位置、速度等对关节摩擦力的影响)；更为准确的摩擦力模型往往形式复杂，且辨识繁琐困难。即使通过辨识得到较为准确的摩擦力模型，还需要设置摩擦力死区来消除速度噪声的影响，死区的阈值取决于经验，且会损害机器人的性能。

发明内容

针对现有技术中的问题，本申请提供一种基于关节扭矩传感器的关节摩擦力观测方法及装置，能够实时准确的观测出关节摩擦力和电机电流偏置，无需考虑并辨识摩擦力模型，无需考虑温度、压力、位置、速度等对关节摩擦力的影响，也无需考虑摩擦死区来消除速度噪声的影响。

为了解决上述问题中的至少一个，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种基于关节扭矩传感器的关节摩擦力观测方法，包括：

确定协作机器人的电机动力学方程为：

其中，为电机转角的加速度，B为电机的惯量矩阵，τ_j为关节传输的扭矩，τ_m为电机力矩，τ_f为关节摩擦力；

根据所述电机动力学方程，确定关节摩擦力观测方程为：

其中，L为观测系数，为摩擦力的观测值；

根据所述电机动力学方程和所述关节摩擦力方程，确定简化的关节摩擦力的观测方程为：

第二方面，本申请提供一种基于关节扭矩传感器的关节摩擦力观测装置，包括：

电机动力分析模块，用于确定协作机器人的电机动力学方程为：

其中，为电机转角的加速度，B为电机的惯量矩阵，τ_j为关节传输的扭矩，τ_m为电机力矩，τ_f为关节摩擦力；

关节摩擦力观测模块，用于根据所述电机动力学方程，确定关节摩擦力观测方程为：