[发明专利]协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备

说明书

本申请涉及一种协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备，当参考力矩在经过内回路干扰补偿器的系统干扰补偿后，输出关节电机的驱动力矩至关节后产生关节力矩，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。通过内回路干扰补偿器对系统干扰补偿，提升了关节系统的响应特征，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型，此时，关节力矩的控制精度和关节系统的稳定性得到了明显的提升。

技术领域

本申请涉及机器人控制领域，特别是涉及协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备。

背景技术

协作机器人关节通常采用重量轻、高传动比的谐波减速器以实现轻量化设计，提高本质安全性；同时，集成关节力矩传感器提高对外力的感知能力。为了实现柔顺的人机交互，协作机器人关节的力矩控制至关重要。通常情况下，协作机器人采用反馈控制的方法实现关节的力矩控制，控制框图如图1所示。其中τ_d为期望的关节力矩，τ_e为期望的关节力矩和实际关节力矩之间的偏差，τ_m表示关节电机的驱动力矩，τ_j表示关节力矩，n表示关节力矩传感器的测量噪声，d为关节受到的干扰。协作机器人的关节力矩控制器常采用简单的比例微分(PD)控制，由于非线性摩擦以及谐波减速器非线性变化的刚度、效率和传递误差等因素的影响，关节力矩的控制精度和关节系统的稳定性难以提高。

发明内容

本申请实施例提供了一种协作机器人关节力矩控制方法、系统及计算机设备，以至少解决相关技术中关节力矩的控制精度和关节系统的稳定性难以提高的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种协作机器人关节力矩控制方法，用于协作机器人的关节系统的力矩控制，包括以下步骤：

当参考力矩在经过内回路干扰补偿器的系统干扰补偿后，输出关节电机的驱动力矩至关节后产生关节力矩，使经过补偿后的关节系统的响应特征趋向于关节的名义力矩响应模型。

在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法包括以下步骤：

分析关节的动力学特性，建立关节的动力学方程，关节的动力学方程的表达式如下：

其中，τ_m表示关节电机的驱动力矩，τ_j表示关节力矩，J_m表示换算到负载输出端的等效电机惯量，θ_m表示为负载输出端的电机位置，表示为θ_m的二阶微分，K表示为刚度，τ_ext表为负载输出端所受力矩，θ表示为电机端位置，θ_l表示为负载输出端位置，J₁表示为负载惯量；

根据关节的动力学方程获得关节的名义力矩响应模型，所述名义力矩响应模型P_n(s)的表达式如下：

其中，表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的反谐振；表示为在不考虑关节各部分阻尼的响应时，系统名义的谐振频率；J_m,n表示为电机惯量的名义值；J_l,n表示为负载惯量的名义值；K_n表示为关节刚度的名义值。

在其中一些实施例中，所述协作机器人关节力矩控制方法还包括以下步骤：

获取实际关节力矩和名义模型输出力矩计算两者之间的力矩误差；

根据关节动力学方程获得力矩误差的响应方程，力矩误差e_r的响应方程的表达式如下：

其中，d表示为系统干扰，表示为力矩误差e_r的二阶微分。