【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人，具体涉及一种机器人末端机构的冲击力抑制方法和系统。
技术介绍
1、机器人在智能制造、深空探测、抢险救灾、辅助医疗、家居服务等领域发挥着重要作用，其中的关节驱动机构是机器人的“骨骼与肌肉”，他们的高性能控制则是机器人完成作业任务的核心基础。
2、直线液压驱动机构因其功重比高、结构形式简单、无需中间减速机构等优点，被广泛应用在大负载机器人中。直线液压驱动机构的输出力通过机械结构转换为机器人末端的输出力，作用到“环境负载”上。“环境负载”可以是操作对象或周围环境。
3、为了完成特定的作业任务，机器人末端（如机械臂作业手抓、仿生机器人的手或足端）需要按照某种期望的轨迹进行运动，在其运动过程中，机器人末端存在与环境负载无接触的自由运动阶段和与环境负载有接触的约束运动阶段。在不可预知的环境下，在自由运动与约束运动两个阶段的切换瞬间，运动机构与环境负载之间可能会产生作用力的冲击振动。这种冲击振动会导致机器人的运动不平顺，影响作业性能及自身稳定性。
4、在未确知接触环境下，环境负载位置具有一定的不确定性，控制器难以准确估计运动机构末端与负载的接触时间及位置，这就导致事先规划的运动轨迹无法适应实际运动情况，此时依据动力学模型计算出的驱动力会出现不可预知的突变，导致其输出的参考力产生大的阶跃，严重影响运动机构的平稳性和柔顺性。
5、如图1所示，可以将运动机构末端与环境负载的不可预知接触分为三个阶段，初始接触阶段、过渡阶段、持续接触阶段。
6、在初始接触阶段，运动机构的
7、在过渡阶段，运动机构及环境负载自身通过一定的变形会吸收一部分冲击力，因此接触力会有所下降。
8、在持续接触阶段，又可以分为两种情况：一是，运动机构和环境负载的基座固定不变，此时运动机构如果继续按照原设定的期望运动轨迹运动，那么二者之间的接触力将如图中实线部分所示持续增加，直至达到运动机构的输出能力；二是，运动机构或环境负载的基座是可动的，此时在接触力的作用下这二者之间产生相对运动，且接触力维持在一个较低水平。
9、从上面的初步分析中，可以看出，在过渡阶段之前实施冲击力抑制策略是减小冲击振动最为合适的时机。
10、为了减小机器人末端与环境负载之间的冲击振动，通常有如下几种方式：常规的依靠弹簧、阻尼器等方式进行的被动减振柔顺方式已经无法满足需求，而是需要设计专门的主动柔顺控制策略。
11、产生冲击力后，可以等效的认为是运动机构的输出力偏离了期望值，那么其纠偏途径有两种：一是通过力闭环控制器的反馈途径进行调节，二是通过力闭环控制器的前向输入通道进行调节。对于第一种途径，这是控制器自身所具有的天然的调节能力，但是仅从反馈的途径并不能很好的解决持续接触阶段出现的接触力持续加大问题。因此，本专利技术通过第二种途径，即力闭环控制器的前向输入通道，进行同步的调节。
12、对于第二种途径，常用的主动柔顺控制策略是阻抗/导纳控制。在阻抗控制中，系统将预期位置与实际位置之差作为输入传递给阻抗控制器。该控制器利用位置差和预设的阻抗参数，计算出力偏差量。这个力偏差量随后与期望施加的力相叠加，生成最终的力信号，该信号作为力控制器的输入，使得机器人展现出阻抗特性。
13、相比之下，导纳控制采取了相反的输入输出逻辑。在导纳控制中，力的偏差信号被送入导纳控制器，控制器利用偏差信号和特定的导纳参数，计算出期望位置与实际位置之间的偏差值。这一计算得出的偏差值再与期望位置相加，形成位置控制器的输入指令，使得机器人展现出导纳特性。
14、以上两种常用柔顺控制策略采用末端受力值作为控制器输入，在外部力变化较小甚至保持不变时，会产生持续较大的位置偏差。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种基于动力检测的冲击力抑制方法，与常用的柔顺控制策略相比，采用了一种不同的控制策略，采用“动”力作为控制器输入，设计了一种不同的动力补偿模块，通过力闭环控制器的前向输入通道，进行同步的调节，能够减小冲击振动，抑制机器人末端较大的接触力，提高机器人运行的稳定性。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的。
3、一种基于动力检测的冲击力抑制方法，包括：
4、检测机器人执行机构末端受到的接触力；
5、根据接触力获得接触力变化量x；
6、根据接触力变化量x生成执行机构末端的冲击力抑制补偿量，对期望的运动轨迹进行补偿。
7、优选地，所述接触力包括三维力和三维力矩。
8、优选地，所述根据接触力获得接触力变化量为：采用微分方式获得接触力变化量并进行滤波，传递函数表达为：
9、 （1）
10、其中，为具有滤波效果的一阶微分算子，s为拉普拉丝算子，为滤波效果调节系数。
11、优选地，所述根据接触力变化量生成执行机构末端的冲击力抑制补偿量采用公式（2）：
12、 （2）
13、其中，为补偿增益调节参数；x为经过公式（1）处理后的接触力变化量，为关于x的非线性映射函数，用于将接触力变化量x映射为位置的修正量；函数满足对称性、非减性和有界性要求。
14、优选地，所述非线性映射函数选择反正切函数或双曲正切函数。
15、本专利技术还提供了一种基于动力检测的冲击力抑制系统，包括由运动学模型、作动器位置控制器、作动器力控制器和执行机构组成的闭环系统，该冲击力抑制系统还包括多维力传感器和动力补偿反馈通道；
16、所述多维力传感器，用于检测机器人的执行机构末端受到的接触力，发送给动力补偿模块；
17、所述动力补偿反馈通道包括动力检测模块和补偿生成模块；
18、所述动力检测模块，用于根据接触力获得接触力变化量x，发送给补偿生成模块；
19、所述补偿生成模块，用于根据接触力变化量x生成执行机构末端的冲击力抑制补偿量，前向反馈给闭环系统，用于对期望的执行机构末端运动轨迹进行补偿。
20、优选地，所述多维力传感器采集执行机构末端的三维力和三维力矩，发送给动力补偿模块进行六维力的处理。
21、优选地，所述动力检测模块采用微分方式获得接触力变化量并进行滤波，传递函数表达为：
22、 （1）
23、其中，为具有滤波效果的一阶微分算子，s为拉普拉丝算子，为滤波效果调节本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于动力检测的冲击力抑制方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触力包括三维力和三维力矩。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据接触力获得接触力变化量为：采用微分方式获得接触力变化量并进行滤波，传递函数表达为：
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据接触力变化量生成执行机构末端的冲击力抑制补偿量采用公式（2）：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述非线性映射函数选择反正切函数或双曲正切函数。
6.一种基于动力检测的冲击力抑制系统，包括由运动学模型、作动器位置控制器、作动器力控制器和执行机构组成的闭环系统，其特征在于，该冲击力抑制系统还包括多维力传感器和动力补偿反馈通道；
7.如权利要求1所述的冲击力抑制系统，其特征在于，所述多维力传感器采集执行机构末端的三维力和三维力矩，发送给动力补偿模块进行六维力的处理。
8.如权利要求1所述的冲击力抑制系统，其特征在于，所述动力检测模块采用微分方式获得接触力变化量并进行滤波，传递函数表达为：
9.如权利要求8所述的冲击力抑制系统，其特征在于，所述补偿生成模块生成执行机构末端的冲击力抑制补偿量采用公式（2）：
10.如权利要求9所述的冲击力抑制系统，其特征在于，所述非线性映射函数选择反正切函数或双曲正切函数。
...【技术特征摘要】
1.一种基于动力检测的冲击力抑制方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触力包括三维力和三维力矩。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据接触力获得接触力变化量为：采用微分方式获得接触力变化量并进行滤波，传递函数表达为：
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据接触力变化量生成执行机构末端的冲击力抑制补偿量采用公式（2）：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述非线性映射函数选择反正切函数或双曲正切函数。
6.一种基于动力检测的冲击力抑制系统，包括由运动学模型、作动器位置控制器、作动器力控制器和执行...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵江波，赵振华，王军政，马立玲，沈伟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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