【技术实现步骤摘要】
本申请涉及机器人控制领域，具体而言，涉及一种能量和功率受控的机器人笛卡尔阻抗控制方法。
技术介绍
1、随着机器人应用领域的不断扩展，越来越多的任务需要机器人与外界环境进行动态交互。能量交换是机器人与环境交互的主要作用形式，即机器人可以主动向环境施加力完成柔性装配、曲面打磨等任务，或环境主动向机器人施加力完成柔顺交互、拖动示教等任务。力位混合控制、阻抗控制、导纳控制等方法被广泛应用于这些场景，用于实现稳定的机器人与环境交互。
2、然而，现有的控制方法普遍关注机器人与作业对象持续接触的恒力控制，忽略了安全性。尤其是在机器人末端工具与作业对象突然脱离接触时，由于机器人与环境之间的物理冲击行为会造成不可逆的损失。这种冲击不仅可能损坏机器人和作业对象，还会导致工具失效或作业质量下降。更为重要的是，在物理人机交互场景中，突然的能量释放可能对操作人员造成安全威胁。因此，在线监测和限制控制器被允许注入到机器人的能量和功率是实现安全力控任务的关键。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中的至少一个不足，本申请提出一种能量和功率受限的机器人笛卡尔阻抗控制方法，以限制机器人在执行笛卡尔空间阻抗任务时自身系统产生的能量和功率，确保交互环境和人类的安全性。
2、第一方面，本申请提供一种能量和功率受控的机器人笛卡尔阻抗控制方法，所述方法包括：
3、步骤s1，根据阻抗模型，构建机器人笛卡尔阻抗控制器，其中，所述阻抗模型描述了机器人与环境之间的接触关系；
4、步骤s2
5、步骤s3，获取关联机器人任务功率的能量罐以及限制能量罐内能量的释放速率的功率缩放因子；
6、步骤s4，根据能量罐特性修正所述时变刚度因子，并利用得到的时变刚度因子、时变阻尼因子对关节空间阻抗控制器中的刚度特性矩阵以及阻尼特性矩阵进行修正，得到能量和功率受控的关节空间阻抗控制器，并输出机器人各关节的控制力矩，其中，所述关节空间阻抗控制器通过将所述机器人笛卡尔阻抗控制器映射到关节空间中得到；
7、步骤s5，将得到的机器人各关节控制力矩输入到机器人力矩控制内环，完成机器人的运动控制。
8、结合第一方面的可选实施方式，所述步骤s1具体包括：
9、s11，根据执行力控任务的机器人，建立所述机器人的动力学模型：
10、
11、其中，为机器人系统笛卡尔空间阻抗控制力；；为外部环境对机器人产生的扰动力；分别表示笛卡尔空间的惯性矩阵，科氏矩阵及重力项；分别表示机器人末端的实际位置、速度和加速度；
12、s12，所述阻抗模型对应的二阶微分方程表示为：
13、
14、其中，分别表示期望的惯性、阻尼和刚度特性矩阵；分别表示机器人末端实际与期望的位置偏差、速度偏差和加速度偏差，具体表示为：
15、
16、其中，分别表示机器人末端期望的位置、速度和加速度；
17、s13，将所述笛卡尔空间的惯性矩阵作为所述期望的惯性特性矩阵，并根据所述动力学模型以及所述阻抗模型，得到所述机器人笛卡尔阻抗控制器，所述机器人笛卡尔阻抗控制器的表达式为：
18、
19、结合第一方面的可选实施方式，所述步骤s2具体包括：
20、s21，利用雅可比矩阵将所述笛卡尔阻抗控制器映射到关节空间，得到关节空间阻抗控制器，具体表示为：
21、
22、其中，为关节空间阻抗控制力；为关节空间重力项；为机器人的雅可比矩阵；
23、根据所述时变刚度因子，得到修正后的刚度特性矩阵所述修正后的刚度特性矩阵表示为：
24、
25、其中，λ(t)表示时变刚度因子；utot和ttot分别表示机器人的动能和弹性势能；etot表示机器人动能和弹性势能的总能量；emax表示机器人系统所允许产生的最大能量；
26、根据所述时变阻尼因子，得到修正后的阻尼特性矩阵所述修正后的阻尼特性矩阵的表达式为：
27、
28、其中，β(t)表示时变阻尼因子；ptot表示机器人在运动过程中产生的总功率；pmax表示机器人系统所允许传递的最大功率。
29、结合第一方面的可选实施方式，所述步骤s3具体包括：
30、s31，所述能量罐et的一阶导数等于机器人任务功率具体表示为：
31、
32、其中，表示机器人末端执行任务产生的功率；α和γ分别表示能量罐的开闭因子，用于控制能量罐与阻抗控制器能量交换的通断；
33、s32，所述能量罐中可存储的能量下限及对应的开闭条件：
34、
35、其中，etank表示能量罐内的初始能量；
36、s33，所述能量罐中可存储的能量上限及对应的开闭条件：
37、
38、其中，表示能量罐内的能量上限；
39、s34，所述功率缩放因子η，表达式为：
40、
41、其中，plow表示能量罐的最大允许提取功率；
42、根据所述功率缩放因子以及所述能量罐中可存储的能量上限及对应的开闭条件，得到修正后的能量罐所述修正后的能量罐表示为：
43、
44、结合第一方面的可选实施方式，所述步骤s4具体包括：
45、s41，当无法从所述能量罐中抽取能量以维持时变阻抗控制器的无源性时，将时变刚度因子λ(t)修正为：
46、
47、其中，表示修正后的时变刚度因子；
48、s42，根据修正后的能量罐修正后的时变刚度因子和时变阻尼因子β(t)，构建能量和功率受控的关节空间阻抗控制器，表达式为：
49、
50、相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
51、本专利技术从控制机器人能量和功率的角度出发提出了一种机器人笛卡尔阻抗控制方法，通过缩放刚度和阻尼注入可以实时调节机器人在执行任务时的能量和功率，并引入能量罐确保系统的持续无源，从而保证机器人执行任务的安全性和稳定性。本专利技术可广泛应用于存在人机交互场景的力控装配任务中，过程简单，易于工程实现。
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1.一种能量和功率受控的机器人笛卡尔阻抗控制方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
【技术特征摘要】
1.一种能量和功率受控的机器人笛卡尔阻抗控制方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：
3.根据权利要求1所述的方...
【专利技术属性】
技术研发人员：田新扬，于晓龙，张立，牛建伟，陈浩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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