[发明专利]一种免传感器机器人柔顺控制方法

说明书

本发明公开了一种免传感器机器人柔顺控制方法，包括：根据受力分析计算得到机器人的编码器变化量与所受拖动的外力之间的映射关系，从而结合采集到的编码器变化量计算得到关节所受外力；构建导纳控制模型，计算关节的目标力矩并控制关节运动。本发明利用手术机器人关节中的编码器，将编码器的变化量与拖动点施加的力的大小和方向的变化映射起来，无需安装传感器，成本低，适用于安装有编码器的关节结构。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种免传感器机器人柔顺控制方法。

背景技术

当今社会的发展中，机器人扮演着越来越重要的角色，同时人们对机器人的智能性和安全性的要求也越来越高。其中智能性主要表现为人手对机器人的主动柔顺控制，机器人可以灵活地实现操作员的要求，而安全性则主要表现为机器人的碰撞检测，避免对外界环境和自身造成二次伤害。尤其在医疗机器人应用中，智能性和安全性尤为重要。

不管是柔顺控制还是碰撞检测都会出现人与机器人的力交互，通过对外力的处理和判断实现相应的功能。目前主要有基于力矩补偿和基于外部传感器两种实现方法。基于力矩补偿的方法需要对关节连杆重力矩、摩擦力矩、哥式力矩、离心力矩等进行补偿，如果想要精确地实时获取力矩大小，就需要对机器人进行动力学建模，此过程繁琐且复杂；而且动力学模型的精度受到很多条件的影响，无法确保最终模型的精度。而基于外部传感器的方法较为直观，且实现过程较为简单易懂，但是该方法受到传感器质量的限制，高质量的传感器价格高，增加了生产成本。

发明内容

发明目的：针对上述不足，本发明提出一种免传感器机器人柔顺控制方法，无需安装传感器，操作简单，成本低，适用面广。

技术方案：

一种免传感器机器人柔顺控制方法，包括：

根据受力分析计算得到机器人的编码器变化量与所受拖动的外力之间的映射关系，从而结合采集到的编码器变化量计算得到关节所受外力；

构建导纳控制模型，计算关节的目标力矩并控制关节运动。

所述计算机器人的编码器变化量与所受拖动的外力之间的映射关系具体为：

根据各连杆的结构设计参数，将所受拖动的外力映射为编码器所受外力；

根据预设的编码器变化量与编码器所受外力的映射关系，得到所受拖动的外力与编码器变化量之间的映射关系。

所述预设的编码器变化量与编码器所受外力的映射关系为编码器变化量和外力中引起编码器变换的分量之间的映射关系，并通过采集多组数据计算得到。

所述导纳控制模型如下：

式中，f_e,m,b,k分别为所受拖动外力矩阵F_ext、惯性矩阵M、阻尼矩阵B和刚度矩阵K中的一维元素；x_d分别为关节的期望加速度、期望速度和期望位置，x分别为关节的当前加速度、当前速度和当前位置。

所述计算关节的目标力矩并据此控制关节运动具体为：通过PD控制器计算出关节的目标力矩，通过所述导纳控制模型计算得到在外力作用下关节的期望位置，并通过位置环控制电机运动。

所述计算关节的目标力矩并据此控制关节运动具体为：

根据动力学模型计算得到重力矩和摩擦力矩；

通过所述导纳控制模型计算得到机器人关节的期望速度；

当所述期望速度在预设范围内时，根据所述重力矩和摩擦力矩控制关节运动；

当所述期望速度不在预设范围内时，通过PD控制器计算出关节的补偿静摩擦力矩，结合所述重力矩和摩擦力矩控制关节运动。