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专利号: 2023105760749
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,其特征在于,所述摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,包括:步骤1、采用库仑粘性摩擦模型对机器人的关节摩擦力进行建模;

步骤2、采集关节在不同速度等级匀速运动时的力矩反馈值进行关节摩擦力的拟合计算;

步骤201、采集关节在不同速度等级匀速运动时的力矩反馈值,并采用卡尔曼滤波算法对力矩反馈值进行滤波;

步骤202、取滤波后的力矩反馈值,对每一速度等级的力矩反馈值求平均值,并基于不同速度等级的力矩反馈值的平均值进行最小二乘法线性拟合,得到机器人运动时的摩擦力矩补偿值;

步骤3、采用梯形双向交变方法构建启动力矩补偿;

步骤301、构建梯形双向交变方法中梯形辅助启动力矩在一个周期内包括正向匀加力矩阶段、正向峰值保持阶段、负向匀减力矩阶段和负向峰值保持阶段;

步骤302、计算正向匀加力矩阶段和负向匀减力矩阶段的斜率,以及正向峰值保持阶段和负向峰值保持阶段的辅助启动力矩;

步骤303、构建一个周期内对启动力矩进行补偿的梯形辅助启动力矩;

步骤4、设置关节力矩限制和关节速度限制,并结合机器人运动时的摩擦力矩补偿值以及所构建的启动力矩补偿,得到机器人拖动示教零力控制的输出力矩。

2.如权利要求1所述的摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,其特征在于,所述采用库仑粘性摩擦模型对机器人的关节摩擦力进行建模,包括:式中,τf为待求解的关节摩擦力,fcou为库仑摩擦力系数,fvis为粘性摩擦力系数, 为当前关节的运动速度,符号函数 为关节运动速度的方向,其定义如下:式中,σ为判定速度是否为0的界定阈值。

3.如权利要求1所述的摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,其特征在于,所述采用卡尔曼滤波算法对力矩反馈值进行滤波,包括:建立力矩反馈值的离散状态方程和观测方程如下:

xk=xk‑1+uk‑1+wk‑1

zk=xk+vk

式中,xk是在第k时刻控制系统的状态,xk‑1是在第k‑1时刻控制系统的状态,uk‑1是在第k‑1时刻对控制系统的控制量,wk‑1是在测量过程中第k‑1时刻的过程噪声,zk是运动控制过程中在第k时刻进行测量的实际测量值,vk是在测量过程中第k‑1时刻的测量噪声;

建立卡尔曼滤波器的更新方程如下:

建立卡尔曼滤波器状态的更新方程为:

式中, 表示在第k时刻的先验状态估计值, 和 分别表示在第k‑1时刻和k时刻的后验状态估计值,Pk‑1和Pk分别表示在第k‑1和k时刻的后验估计协方差, 表示在第k时刻的先验估计协方差,Kk代表在卡尔曼滤波器的更新方程中的卡尔曼增益,Q为过程噪声的方差,R为测量噪声的方差。

4.如权利要求1所述的摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,其特征在于,所述基于不同速度等级的平均值进行最小二乘法线性拟合,得到机器人运动时的摩擦力矩补偿值,包括:计算不同速度等级的力矩反馈值的平均值与关节电机的最大力矩的比值百分比作为摩擦力矩百分比,基于最小二乘法线性拟合得到速度等级与摩擦力矩百分比的拟合关系;

基于速度等级与摩擦力矩百分比的拟合关系,将摩擦力矩百分比作为关节电机的转矩百分比,取速度等级值相同、方向相反的反向速度等级,取转矩百分比值相同、方向相反的反向转矩百分比,得到双侧速度等级与双侧转矩百分比的拟合关系,并将双侧速度等级与双侧转矩百分比的拟合关系中速度等级对应的转矩百分比下的转矩值作为机器人运动时的摩擦力矩补偿值。

5.如权利要求1所述的摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,其特征在于,所述计算正向匀加力矩阶段和负向匀减力矩阶段的斜率,以及正向峰值保持阶段和负向峰值保持阶段的辅助启动力矩,包括:fpeak=η·fsta_max

‑fpeak=η·(‑fsta_max)

式中,fpeak为正向峰值保持阶段的辅助启动力矩,η为常系数,fsta_max为正向关节最大静摩擦力矩,‑fpeak为负向峰值保持阶段的辅助启动力矩,‑fsta_max为负向关节最大静摩擦力矩,k为正向匀加力矩阶段的斜率,‑k为负向匀加力矩阶段的斜率,Ta为正向匀加力矩阶段或负向匀减力矩阶段的时间。

6.如权利要求1所述的摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,其特征在于,所述输出一个周期内对启动力矩进行补偿的梯形辅助启动力矩,包括:式中,τstart为梯形辅助启动力矩,k为正向匀加力矩阶段的斜率,t为一个周期内的当前时间,Ta为正向匀加力矩阶段或负向匀减力矩阶段的时间,fpeak为正向峰值保持阶段的辅助启动力矩,T为一个周期的总时间,Tu为正向峰值保持阶段或负向峰值保持阶段的时间,‑k为负向匀加力矩阶段的斜率,‑fpeak为负向峰值保持阶段的辅助启动力矩。

7.如权利要求1所述的摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,其特征在于,所述设置关节力矩限制和关节速度限制,并结合机器人运动时的摩擦力矩补偿值以及所构建的启动力矩补偿,得到机器人拖动示教零力控制的输出力矩,包括:当机器人进入拖动示教且速度为0时,机器人拖动示教零力控制的输出力矩为所述梯形辅助启动力矩;

当机器人进入拖动示教且速度不为0时,首先进行关节力矩限制判断,若满足关节力矩限制,则根据关节力矩限制得到机器人拖动示教零力控制的输出力矩,否则再进行关节速度限制判断,若满足关节速度限制判断,则根据关节速度限制得到机器人拖动示教零力控制的输出力矩,否则读取步骤202得到的摩擦力矩补偿值作为机器人拖动示教零力控制的输出力矩。

8.如权利要求1或7所述的摩擦力自适应补偿的机器人拖动示教零力控制方法,其特征在于,所述关节力矩限制和关节速度限制设置如下:设置关节力矩限制如下:

式中,τout_tor表示关节力矩限制下得到的机器人拖动示教零力控制的输出力矩,τcurrent为当前关节的实时力矩,τmax为当前关节的正向最大限制力矩,‑τmax为当前关节的负向最大限制力矩;

设置关节速度限制如下:

式中,τout_vel表示关节速度限制下得到的机器人拖动示教零力控制的输出力矩,vcurrent为当前关节的实时速度,k为临近最大限制速度系数,且0≤k≤1,‑vmax为当前关节的负向最大限制速度,vmax为当前关节的正向最大限制速度。