[发明专利]一种机器人浮动控制方法、装置及系统

权利要求书

1.一种机器人浮动控制系统，其特征在于，包括机器人控制器、电机驱动器及机器人本体，所述机器人本体包括多个用于实现机器人本体动作的电机，所述机器人控制器和所述电机驱动器之间采用控制总线连接，所述电机驱动器与所述电机采用动力线连接；

所述机器人控制器，用于机器人运动的运动学计算和轨迹规划，通过控制总线将运动指令发送给电机驱动器；

所述电机驱动器，用于控制电机运行，实现关节的运动控制，与所述机器人本体之间通过编码器读取所述电机的位置信息和电流信息计算电机转矩，所述机器人控制器，通过电机转矩、惯量、摩擦信息与机器人动力学融合计算外作用力，并按照力位混合控制结构进行控制，在力闭环和位置闭环之间通过选择矩阵进行切换，所述机器人控制器进行浮动控制时由矩阵选择切换到力控制模式进行控制，以完成浮动控制操作；

所述在机器人控制器中计算外作用力，具体为：

采用转子磁场定向控制时的电机转矩方程、电机惯量和摩擦参数的影响以及机器人完整动力学方程，得到电机端的转矩平衡方程为：

其中为电机转矩，n_p为极对数，ψ_f为磁场系数，i_sq为q轴电流，J_m为电机转子的惯量，q为关节角度矢量，q_m为电机角度变量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比，为机器人关节处的摩擦力矩，τ_ext为施加在关节上的外作用力矩，M(q)为关节空间惯性矩阵，为哥氏力和向心力计算矩阵，g(q)为重力项向量，

带入关节角度关系，得到：

其中：τ为由机器人动力学计算得到的关节转矩；

确定施加在关节上的外作用力矩τ_ext：

代入电机转矩模型和关节转矩关系，得到：

代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于机器人本体末端六维广义外作用力F_ext为：

利用所述外作用力F_ext结合力位混合控制进行所述机器人本体的浮动控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机为伺服电机。

3.一种机器人浮动控制方法，其特征在于，包括：

获取电机位置和电流信息；

利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩；

计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制；

在力闭环和位置闭环之间选择所需矩阵进行切换；

在进行浮动控制时将矩阵选择切换到力控制模式，以实现浮动控制操作；

计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制，具体为：

采用转子磁场定向控制时的电机转矩方程、电机惯量和摩擦参数的影响以及机器人完整动力学方程，得到电机端的转矩平衡方程为：

其中为电机转矩，n_p为极对数，ψ_f为磁场系数，i_sq为q轴电流，J_m为电机转子的惯量，q为关节角度矢量，q_m为电机角度变量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比，为机器人关节处的摩擦力矩，τ_ext为施加在关节上的外作用力矩，M(q)为关节空间惯性矩阵，为哥氏力和向心力计算矩阵，g(q)为重力项向量，

带入关节角度关系，得到：

其中：τ为由机器人动力学计算得到的关节转矩；

确定施加在关节上的外作用力矩τ_ext：

代入电机转矩模型和关节转矩关系，得到：

代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于机器人本体末端六维广义外作用力F_ext为：

利用所述外作用力F_ext结合力位混合控制进行所述机器人本体的浮动控制。

4.一种机器人浮动控制装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取电机位置和电流信息；

第一计算单元，用于利用所述电机位置和电流信息计算电机转矩；

第二计算单元，用于计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制；

切换单元，用于在力闭环和位置闭环之间选择所需矩阵进行切换；

控制单元，用于在进行浮动控制室将矩阵选择切换到力控制模式，以实现浮动控制操作；

所述计算外作用力并按照力位混合控制结构进行控制：

采用转子磁场定向控制时的电机转矩方程、电机惯量和摩擦参数的影响以及机器人完整动力学方程，得到电机端的转矩平衡方程为：

其中为电机转矩，n_p为极对数，ψ_f为磁场系数，i_sq为q轴电流，J_m为电机转子的惯量，q为关节角度矢量，q_m为电机角度变量，为电机转子处的摩擦力矩，N为减速器的加速比，为机器人关节处的摩擦力矩，τ_ext为施加在关节上的外作用力矩，M(q)为关节空间惯性矩阵，为哥氏力和向心力计算矩阵，g(q)为重力项向量，

带入关节角度关系，得到：

其中：τ为由机器人动力学计算得到的关节转矩；

确定施加在关节上的外作用力矩τ_ext：

代入电机转矩模型和关节转矩关系，得到：

代入雅可比矩阵的力传递关系，得到基于机器人本体末端六维广义外作用力F_ext为：

利用所述外作用力F_ext结合力位混合控制进行所述机器人本体的浮动控制。