基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法、系统及应用

技术领域

本发明涉及机械臂的控制技术领域，特别是涉及一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法、系统及应用。

背景技术

经典力控理论阻抗控制方法中，机械臂和环境间的动态关系建立关系模型，通过控制机器人末端位移间接控制末端作用力，但是机械臂和环境的交互能力仍需进一步提高，以使机械臂能随时根据环境的变化对力控参数进行适应性调整，达到在任意环境下都能使用最优力控参数反馈给控制器。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法、系统及应用，能够在不同环境下根据测量得到的环境刚度调节力控参数，从而提高机械臂和环境的实时交互能力。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法，其特征在于，包括：

步骤S1、获得阻抗控制参数；

步骤S2、控制机械臂沿力控方向接触环境对象，并计算所述力控方向的环境刚度；

步骤S3、根据所述环境刚度，获得力控参数；

步骤S4、输出所述力控参数给所述机械臂的控制器。

本发明提供的一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法，步骤S1中，所述阻抗控制参数包括弹性系数、阻尼系数、质量、虚拟摩擦力中的一个或多个。

本发明提供的一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法，步骤S2中，所述计算所述力控方向的环境刚度，包括：

基于末端力矩传感器或关节力矩传感器，以及所述力控方向上的环境形变量，计算所述力控方向的环境刚度。

本发明提供的一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法，步骤S2中，控制机械臂沿力控方向接触环境对象，包括：

控制机械臂沿力控方向向环境对象移动，当机械臂的工具中心点与环境对象接触并达到受力平衡时，获得机械臂的末端传感器数据和工具中心点的位置移动数据；

基于所述末端传感器数据和所述工具中心点的位置移动数据，得到所述环境刚度。

本发明提供的一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法，步骤S3中，根据环境刚度获取力控参数，包括：

根据预设的环境刚度到力控参数的映射数据确定所述力控参数；和/或，

根据与环境刚度相关的线性模型拟合函数确定所述力控参数；和/或，

根据与环境刚度相关的非线性模型拟合函数确定所述力控参数；和/或，

根据与环境刚度相关的非线性模型的神经网络确定力控参数。

本发明提供的一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法，步骤S3中，还包括：通过所述线性模型拟合函数或所述非线性模型拟合函数对所述映射数据进行拟合确定所述力控参数。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种基于阻抗模式修正机械臂控制器的系统，其特征在于，包括：

阻抗控制模块，用于获得阻抗控制参数；

环境刚度模块，用于控制机械臂沿力控方向接触环境对象，并计算所述力控方向的环境刚度；

力控参数模块，用于根据所述环境刚度，获得力控参数；

控制器修正模块，用于输出所述力控参数给所述机械臂的控制器。

本发明提供的一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的系统，所述阻抗控制模块中，所述阻抗控制参数包括弹性系数、阻尼系数、质量、虚拟摩擦力中的一个或多个。

本发明提供的一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的系统，所述控制机械臂沿力控方向接触环境对象，包括：

控制机械臂沿力控方向向环境对象移动，当机械臂的工具中心点与环境对象接触并达到受力平衡时，获得机械臂的末端传感器数据和工具中心点的位置移动数据；

基于所述末端传感器数据和所述工具中心点的位置移动数据，得到所述环境刚度。

此外，本发明还提供一种机械臂产品，该机械臂产品使用以上基于阻抗模式修正机械臂控制器的方法，或以上基于阻抗模式修正机械臂控制器的系统。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明能够解决机械臂在不同环境下的力控参数调节的问题；通过计算得到环境的刚度系数，用于反映环境信息，从而得到对应的力控参数对控制器进行修正，提高机械臂和环境的交互能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于阻抗模式修正机械臂控制器的方法的流程图。

图2为工具中心点沿z向运动，并在接触三种不同环境的z向力的曲线图，其横向坐标轴时间dt，竖向坐标轴标识z向力的大小。

图3是根据环境刚度K

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法，包括：

步骤S1、开启阻抗控制模式，并在阻抗控制模式下，设置阻抗控制模式的阻抗控制器阻尼系数B、质量m、弹性系数K

步骤S2、控制机械臂沿力控方向向环境对象移动，当机械臂的工具中心点与环境对象接触并达到受力平衡时，获得机械臂的末端传感器数据和工具中心点的位置移动数据，其中的受力平衡是指机械臂的工具中心点对环境对象的作用力与环境对象与机械臂的工具中心点的反作用力之间平衡；基于所述末端传感器数据和所述工具中心点的位置移动数据，以及所述力控方向上的环境形变量得到力控方向上的环境刚度K

由于运动的过程中工具中心点的速度保持恒定v，而步骤S1中已将虚拟弹簧的弹性系数K

如图2所示为工具中心点沿z向运动，并在接触三种不同环境的z向力的曲线图，其横向坐标轴为时间，竖向坐标轴标识z向力的大小。可以看到，对应不同的环境力的变化都是在接触时最大，然后快速减小，并最终的力趋于恒定，dt受环境刚度影响。

步骤S3、根据所述环境刚度K

步骤S4、输出所述力控参数r给所述机械臂的控制器G(s)，并根据所述力控参数r对控制器G(s)进行修正。修正控制器G’(s)的修正函数为G’(s)＝r*G(s)，从而修改控制器的最终输出来实现对机械臂控制器的调整，以使其适应多种不同环境。

可选择地，步骤S3中，根据环境刚度K

(1)根据预设的环境刚度K

(2)根据线性模型拟合函数r＝H(K

示例给出5种环境，先用第(1)种方式测量环境刚度K

也可以根据以上给出的数据拟合出每一段区间的a、b值，(r，K

r

r

r

r

(3)根据非线性模型拟合函数r＝W(K

(4)非线性模型的神经网络确定力控参数r，通常需要设计神经网络模型对数据进行计算整合，神经网络模型可以使用以上的线性、非线性模型，也可以使用其他的非线性模型。

本发明实施例还提供一种基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的系统，包括阻抗控制模块、环境刚度模块、力控参数模块和控制器修正模块。其中：

阻抗控制模块，用于开启阻抗控制模式，并在阻抗控制模式下，设置阻抗控制模式的阻抗控制器阻尼系数B、质量m、弹性系数K

环境刚度模块，控制机械臂沿力控方向向环境对象移动，当机械臂的工具中心点与环境对象接触并达到受力平衡时，获得机械臂的末端传感器数据和工具中心点的位置移动数据，其中的受力平衡是指机械臂的工具中心点对环境对象的作用力与环境对象与机械臂的工具中心点的反作用力之间平衡；基于所述末端传感器数据和所述工具中心点的位置移动数据，以及所述力控方向上的环境形变量得到力控方向上的环境刚度K

由于运动的过程中工具中心点速度保持恒定v，而步骤S1中已将虚拟弹簧的弹性系数K

如图2所示为工具中心点沿z向运动，并在接触三种不同环境的z向力的曲线图，其横向坐标轴为时间，竖向坐标轴标识z向力的大小。可以看到，对应不同的环境力的变化都是在接触时最大，然后快速减小，并最终的力趋于恒定，dt受环境刚度影响。

力控参数模块，用于根据所述环境刚度K

控制器修正模块，用于输出所述力控参数r给所述机械臂的控制器G(s)，并根据所述力控参数r对控制器G(s)进行修正。修正控制器G’(s)的修正函数为G’(s)＝r*G(s)，从而修改控制器的最终输出来实现对机械臂控制器的调整，以使其适应多种不同环境。

可选择地，所述力控参数模块，被配置为根据环境刚度K

(1)根据预设的环境刚度K

(2)根据线性模型拟合函数r＝H(K

示例给出5种环境，先用第(1)种方式测量环境刚度K

也可以根据以上给出的数据拟合出每一段区间的a、b值，(r，K

r

r

r

r

(3)根据非线性模型拟合函数r＝W(K

(4)非线性模型的神经网络确定力控参数r，通常需要设计神经网络模型对数据进行计算整合，神经网络模型可以使用以上的线性、非线性模型，也可以使用其他的非线性模型。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于阻抗模式测量环境刚度的方法，包括：

步骤S1、开启阻抗控制模式，并在阻抗控制模式下，设置阻抗控制模式的阻抗控制器阻尼系数B、质量m、弹性系数K

步骤S2、控制机械臂沿力控方向向环境对象移动，当机械臂的工具中心点与环境对象接触并达到受力平衡时，获得机械臂的末端传感器数据和工具中心点的位置移动数据，其中的受力平衡是指机械臂的工具中心点对环境对象的作用力与环境对象与机械臂的工具中心点的反作用力之间平衡；基于所述末端传感器数据和所述工具中心点的位置移动数据，以及所述力控方向上的环境形变量得到力控方向上的环境刚度K

由于运动的过程中工具中心点的速度保持恒定v，而步骤S1中已将虚拟弹簧的弹性系数K

如图2所示为工具中心点沿z向运动，并在接触三种不同环境的z向力的曲线图，其横向坐标轴为时间，竖向坐标轴标识z向力的大小。可以看到，对应不同的环境力的变化都是在接触时最大，然后快速减小，并最终的力趋于恒定，dt受环境刚度影响。

本发明实施例还提供一种基于阻抗模式测量环境刚度的系统，包括阻抗控制模块、环境刚度模块。其中：

阻抗控制模块，用于开启阻抗控制模式，并在阻抗控制模式下，设置阻抗控制模式的阻抗控制器阻尼系数B、质量m、弹性系数K

环境刚度模块，控制机械臂沿力控方向向环境对象移动，当机械臂的工具中心点与环境对象接触并达到受力平衡时，获得机械臂的末端传感器数据和工具中心点的位置移动数据，其中的受力平衡是指机械臂的工具中心点对环境对象的作用力与环境对象与机械臂的工具中心点的反作用力之间平衡；基于所述末端传感器数据和所述工具中心点的位置移动数据，以及所述力控方向上的环境形变量得到力控方向上的环境刚度K

由于运动的过程中工具中心点速度保持恒定v，而步骤S1中已将虚拟弹簧的弹性系数K

如图2所示为工具中心点沿z向运动，并在接触三种不同环境的z向力的曲线图，其横向坐标轴为时间，竖向坐标轴标识z向力的大小。可以看到，对应不同的环境力的变化都是在接触时最大，然后快速减小，并最终的力趋于恒定，dt受环境刚度影响。

此外，本发明实施例还提供一种机械臂产品，该机械臂产品使用以上实施例提供的基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法，或以上基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的系统，或以上基于阻抗模式测量环境刚度的方法，或以上基于阻抗模式测量环境刚度的系统。

本发明能够解决不同环境下的力控参数调节的问题；通过计算得到环境的刚度系数，用于反映环境信息，从而得到对应的力控参数对控制器进行修正，提高机械臂和环境的交互能力。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。