[发明专利]一体化柔性机器人关节的输出力矩计算方法

权利要求书

1.一体化柔性机器人关节的输出力矩计算方法，其特征在于：所述的一体化柔性机器人关节包括电机、谐波减速器和输出连杆；通过神经网络算法，在一体化柔性机器人关节的谐波减速器输入力矩、电机端位置、连杆端位置与关节输出力矩之间建立映射关系，通过该映射关系构建的数学公式计算关节输出力矩。

2.根据权利要求1所述的输出力矩计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、根据一体化柔性机器人关节的机械结构建立动力学模型，获得谐波减速器输入力矩和电机输入力矩之间的关系；

步骤2、通过设计实验方法辨识电机的电流-力矩系数，以及辨识电机端内部的摩擦力力矩；

步骤3、通过步骤2中获得的电机电流-力矩系数，获得电机的输入力矩，通过动力学模型和摩擦力力矩计算得出谐波减速器的输入力矩；

步骤4、通过谐波减速器的输入力矩在谐波减速器数学模型上进行升维形成谐波减速器输入力矩、电机端位置、连杆端位置与关节输出力矩之间的映射关系；

步骤5、通过一组实验获得符合神经网络算法拟合条件的一体化柔性机器人关节的输入输出数据；

步骤6、设定神经网络算法的训练参数，使用步骤5中获得的数据进行学习，获得一体化柔性机器人关节输入输出之间映射的数学关系；

步骤7、通过步骤6中获得的映射关系进行关节输出力矩的计算。

3.根据权利要求2所述的输出力矩计算方法，其特征在于：所述的步骤1中，所述的一体化柔性机器人关节的动力学模型为：

其中θ和q分别代表电机端位置和连杆端位置，B和M分别代表电机端位置和连杆端的惯量，τ、τ_ext以及τ_f分别为谐波减速器输入力矩、关节外部力矩和电机端摩擦力力矩，g(q)为负载重力矩，i_q和k_q分别为电机输入电流和电机的电流-力矩系数，两者相乘结果为电机的输入力矩。

4.根据权利要求3所述的输出力矩计算方法，其特征在于：所述步骤2中辨识电流-力矩系数包括以下步骤：通过电机速度控制器使电机在某一相同的速度下进行一组正转和反转，其正反转动力学表达式为：

k_qi_q+＝τ₊+|τ_f+|，

k_qi_q-＝τ_--|τ_f-|；

摩擦力模型为库伦-黏滞摩擦力模型，其模型表达式为其中f_v为摩擦力黏滞系数，f_c为摩擦力库仑力；

基于摩擦力模型在正反转时的摩擦力在数值上相等，即|τ_f-|＝|τ_f+|，因此将正反转的动力学表达式相加，消除摩擦力的影响得到公式k_q(i_q++i_q-)＝τ₊+τ_-，其中电机电流和关节输出力矩为已知信息，通过最小二乘法拟合得到电流-力矩系数的数值；

根据得到的电流-力矩系数，所述的摩擦力力矩计算公式为

5.根据权利要求4所述的输出力矩计算方法，其特征在于：所述的步骤2通过多次不同速度的恒速实验以消除电机惯量带来的影响，获得相应的电流-力矩系数和摩擦力力矩的数据。

6.根据权利要求4所述的输出力矩计算方法，其特征在于：所述步骤3中谐波减速器的输入力矩计算公式为

7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的输出力矩计算方法，其特征在于：所述步骤4中的谐波减速器数学模型为关于扭转角与输出力矩的磁滞曲线。

8.根据权利要求1至6任一权利要求所述的输出力矩计算方法，其特征在于：所述步骤5中的实验中，通过电机端位置控制器进行控制，使关节在平面内旋转2至3圈，以便将输入输出数据的各种工况进行遍历。