[发明专利]一种异构伺服的力反馈估计方法

说明书

本发明涉及自动控制领域，公开一种异构伺服执行器的力反馈估计方法。本发明首先针对不同类型的异构伺服执行器对其原始测量数据进行数字滤波；构建力伺服执行器的线性估计模型，采集真实扭矩测量数据对上述模型中系数进行拟合求解最优化的模型系数；构建位置/速度执行器的非线性估计模型，采集真实扭矩测量数据对上述模型中系数进行拟合求解最优化的模型系数；在得到模型系数后，向模型中分别输入采集的位置、速度和电流测量值，在线估计得到估计结果；基于虚功原理和雅克比矩阵计算当前扭矩估计结果对应的力。本发明解决了异构执行器力反馈在线估计的问题，并提高了执行器机构存在磨损、静摩擦和接触抖动时力反馈测量的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体是一种机器人状态估计方法。

背景技术

机器人伺服力控技术是实现高动态、高精度闭环的关键，传统力前馈控制通过将期望力以虚功理论和雅克比动力学模型向关节执行器进行映射，从而实现对期望力的前馈输出，而在实际机器人控制系统中由于存在摩擦、接触抖动、力矩映射模型参数摄动等问题，仅采用前馈输出难以保证精度和鲁棒性，因此目前主要通过引入力反馈的控制方法来提高力跟踪精度、降低输出噪声，传统在线力估计需要执行器为力伺服即能直接或间接测量当前力矩，但对于位置、速度等执行器来说无法实现对无外部力矩传感器下的力估计，因此为对异构执行器的力在线估计，需要提出一种新的力反馈估计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种异构伺服执行器的力反馈估计方法，其用于仿生机器人支撑相力控中的力反馈控制需求，同时面向位置、速度和力异构执行器类型实现当前力的拟合和估计。

本发明的技术方案如下：

本发明构建多通道力反馈估计模型(图1)，面向力控制伺服采用其位置、速度和力矩测量结果进行比例加强融合实现反馈估计，对于位置、速度执行器由于其无法精确获取当前力矩测量值，因此基于离线力矩传感器拟合标定的方式，采用辨识算法构建位置、速度与力反馈间的映射模型，获取执行器的虚拟力矩，最终基于虚功原理实现对当前执行器力反馈的在线估计，并进一步用于力伺服控制回路中，本发明方法的主要流程步骤(图2)如下：

步骤1，针对不同类型的异构伺服执行器对其原始测量数据进行数字滤波，所述的原始测量数据包括位置、速度和电流测量值；

步骤2，构建力伺服执行器的线性估计模型，采集真实扭矩测量数据对上述模型中系数进行拟合求解最优化的模型系数；

步骤3，构建位置/速度执行器的非线性估计模型，采集真实扭矩测量数据对上述模型中系数进行拟合求解最优化的模型系数；

步骤4，在得到模型系数后，向力伺服反馈线性估计模型、位置/速度伺服执行器扭矩估计模型中分别输入采集的位置、速度和电流测量值，在线估计得到执行器电流测量值转换扭矩估计结果以及位置/速度测量值转换扭矩估计结果

步骤5，基于虚功原理和雅克比矩阵计算当前扭矩估计结果对应的力F_est：

其中J为雅克比矩阵。

进一步地，所述步骤1中，

对于位置测量值，采用微分跟踪滤波器对位置测量值进行滤波，计算输入角度q的角速度增量Δq；

对于速度增量，采用低通滤波器对速度增量进行滤波得到然后对滤波后的进行积分获得积分角度估计值：

最后，对积分角度估计值进行单圈复位和限幅处理，即当角度超过0°和360°后做零点补偿处理：

其中q_base为单圈复位基准；

对于速度与电流测量值仅采用低通滤波器进行处理。