一种动力关节装置的力矩控制系统及其力矩控制方法与流程

本发明涉及动力关节装置，更具体地说是指一种动力关节装置的力矩控制系统及其力矩控制方法。

背景技术：

机器人是自动控制机器(robot)的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械(如机器狗，机器猫等)。目前的机器人领广泛地应用了动力关节，动力关节可以用于模拟人体的关节伸展或弯曲，其中，用于人体可穿戴的外骨骼机器人一般带有多个动力关节，动力关节带有上臂、下臂、电机和减速机，上臂和下臂在电机和减速机驱动下可以伸展或弯曲，动力关节上一般还带有多种传感器，包括关节扭力传感器、上下臂角度传感器、电机旋转编码器以及电机电流传感器，用于获取对应的数据，以反馈至控制器作为调整的依据数据，比如中国专利201611165523.7所公开的一种用于负责搬运的全身外骨骼助理机器人，该专利提及的机器人上也设有上下臂角度传感器等传感器，利用角度传感器测量关节处的角度值，根据测得的角度值由中央控制装置控制相应的关节进行运动。

由于机器人的关节是模仿人体的关节制定的，在柔性方面肯定与人体的关节存在差异，因此，需要对机器人的动力关节中嵌入力传感器，以此给机器人的关节系统引入了柔性，机器人的关节传动一般采用谐波减速机减速，也会进一步给关节系统带来柔性，以使得关节具备柔性特性能够吸收震动、减缓冲击，但由于采用谐波减速机会带来明显滞后，导致控制难度增加，采用经典pid控制的效果不佳，比如，中国专利201410494011.x提供了具有张力和关节位置反馈的机器人关节用挠性驱动单元控制方法，该方法主要实现机器人关节用挠性驱动装置张力反馈和关节全闭环控制，以减少挠性驱动关节控制误差，提高系统频响，具体的是根据提出根据弹性变形公式设计前馈控制，通过电机角度估计设计反馈控制器，采用变系数pid的控制方法实现控制。但是，上述专利提及的控制方法仍然是由传统pid改进，整个关节系统控制响应速度欠佳。另外，中国专利201510712869.3提供了一种用于控制可穿戴机器人的方法，该方法如下：当机器人关节的角度超过预定容许的角度范围r时，使机器人关节的角度返回到所述容许角度范围r内，当将机器人关节控制呈使机器人关节的角度返回到容许角度范围r内并且机器人关节的角度达到预定角度时，在机器人关节中产生使机器人关节的角度在预定交底处保持预定时间段的扭矩，也就是控制关节角度在一定范围内，提及的控制实施方式是pid控制或状态反馈控制，但未披露控制具体实施的方式。

现有控制技术中，除传统pid控制外，现代控制理论有变结构控制、状态反馈控制等，这些方法比传统pid响应速度快、鲁棒性强，但均需要得到系统的状态量，这些状态量一般难以直接测量获得，需要观测或计算估计，这往往导致控制的误差，甚至导致控制不稳定，此外，动力关节一般在运动时带有摩擦力，摩擦力属于快速变化干扰，这也给精确控制带来困难，现有技术中有针对摩擦力观测的干扰观测器方案，采用低通滤波器屏蔽干扰，其对快速变化的干扰抑制能力不强。

因此，有必要设计一种动力关节装置的力矩控制系统，以实现在机器人关节带有柔性、摩擦力快速变化情况下，达到快速响应、鲁棒性强的力矩控制，使得带有动力关节装置的机器人或外骨骼的相关系统具备高灵敏度和稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种动力关节装置的力矩控制系统及其力矩控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种动力关节装置的力矩控制系统，包括信号采集单元以及信号处理单元，其中，信号采集单元包括与驱动关节运动的电机连接的旋转编码器、测量位于上臂与下臂相对扭矩的扭矩传感器、位于关节上臂与下臂之间的角度传感器以及与驱动关节运动的电机连接的电流传感器；其中，旋转编码器采集电机的转动角度θm，扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩ts，角度传感器采集上臂与下臂之间转动的相对角度θl，电流传感器采集电机工作时的电流ifbk；信号处理单元包括存储器以及处理器，处理器内设有力矩环控制器和电流环控制，力矩环控制器的输出为电流环控制器的控制目标tm；

且tm＝a*(de-f(s))+b*t_hat+z_hat；

其中，a、b为根据系统模型确定的常数系数；de为误差导数值，误差e等于tref-ts或其滤波后数据，tref为力矩环控制器的控制目标；f(s)为滑膜趋近律函数，其中s＝cs*de+e，cs为可调系数；t_hat为ts或其滤波处理后的数据；z_hat为系统干扰数据，系统干扰数据z_hat包括电机摩擦力干扰值z13和/或上臂与下臂的负载及摩擦干扰值z23，系统干扰数据z_hat为可选项，其满足c*z13或者d*z23或者c*z1与d*z23之和，c＝-jm，d＝n*jm,jm为电机的转动惯量，n为动力关节的减速机构减速比。

其进一步技术方案为：所述常数系数a、b满足：

a＝n*jm/cs；

b＝1/n+n*jm/jl；

其中，jl为动力关节及负载的转动惯量,cs为可调系数。

其进一步技术方案为：所述力矩环控制器内设有处理模块、微分滤波器和扩张观测器，通过微分滤波器或扩张观测器观测获得误差导数值de，通过扩张观测器获得系统干扰数据z_hat，所述微分滤波器以及扩张观测器获取的数据，输入至所述处理模块，进行处理输出电流环控制器的控制目标tm。

其进一步技术方案为：所述扩张观测器包括第一扩张观测器以及至少一个第二扩张观测器，所述第一扩张观测器对电机的转动角度θm或其滤波值进行观测，输出电机摩擦力干扰值z13，所述第二扩张观测器输出上臂与下臂的负载及摩擦干扰值z23；其中，所述第一扩张观测器满足以下条件:

eq11：e1＝z11-θm_hat；

eq12：dz11＝z12-β10*e1；

eq13：dz12＝z13-β11*fal(e1,α11,δ11)+b11*ifbk_hat+b12*ts_hat；

eq14：dz13＝-β12*fal(e1,α12,δ12)；

其中dz11、dz12、dz13分别对应为z11、z12、z13的导数，β10、β11、β12、α11、α12、δ11、δ12为可调参数，b11、b12为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b11＝1/jm，b12＝-1/(jm*n)，fal为单调函数；

所述第一扩张观测器的输入变量为θm_hat、ifbk_hat以及ts_hat，其中，θm_hat为旋转编码器采集电机的转动角度θm或其滤波值，ifbk_hat为电流传感器采集电机工作时的电流ifbk或其滤波值，ts_hat为扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z11、z12、z13，其中，z11趋近电机的转动角度θm，z12趋近电机的转动角度θm的导数值，z13趋近于当前电机摩擦干扰值；

所述第二所述扩张观测器满足以下条件：

eq21：e2＝z21-θl_hat；

eq22：dz21＝z22-β20*e2；

eq23：dz22＝z23-β21*fal(e2,α21,δ21)+b22*ts_hat；

eq24：dz23＝-β22*fal(e2,α22,δ22)；

其中dz21、dz22、dz23分别对应为z21、z22、z23的导数，β20、β21、β22、α21、α22、δ21、δ22为可调参数，b22为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b22＝1/jl，jl为动力关节及负载的转动惯量，fal为单调函数；

所述第二扩张观测器的输入变量为θl_hat和ts_hat，θl_hat为角度传感器采集上臂与下臂之间的相对角度θl或其滤波值，ts_hat为扭矩传感器采集上臂与下臂之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z21、z22、z23，其中z21趋近上臂与下臂之间的相对角度θl，z22趋近上臂与下臂之间的相对角度θl的导数值，z23趋近于上臂与下臂的负载及摩擦干扰值。

其进一步技术方案为：所述误差导数值de满足de＝dtref-dts，其中，dts＝z32，dtref＝dz41；

所述扩张观测器包括第三扩张观测器，其中，所述第三扩张观测器输出z32，所述第三扩张观测器满足以下条件：

eq31：e3＝z31-ts_hat；

eq32：dz31＝z32-β30*e3；

eq33：dz32＝z33-β31*fal(e3,α31,δ31)+b31*ifbk_hat-b32*ts_hat；

或eq33b：dz32＝z33-β31*fal(e3,α31,δ31)+b31*ifbk-b32*ts+b33*z13+b34*z23；

eq34：dz33＝-β32*fal(e3,α32,δ32)；

其中dz31、dz32、dz33分别对应为z31、z32、z33的导数，β30、β31、β32、α31、α32、δ31、δ32为可调参数，b31、b32为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b31＝k/(n*jm)，b32＝k/jl+k/(n*n*jm)，k为电机的输出端到关节负载等效弹簧倔强系数，jl为动力关节及负载转动惯量，fal为单调函数；b33、b34为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b33＝k/n，b34＝-k；

第三扩张观测器输入变量为ifbk_hat、ts_hat，ifbk_hat为电机工作时的电流ifbk或其滤波值，ts_hat为上臂与下臂之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z31、z32、z33，其中z31趋近ts，z32趋近ts的导数值。

其进一步技术方案为：所述微分滤波器包括第一微分滤波器，其中，所述第一微分滤波器输出z41；且所述第一微分滤波器满足以下条件：

eq41：e4＝z41-tref；

eq42：dz41＝-β40*fal(e4,α42,δ42)；

其中，dz41为z41的导数，β40，α42，δ42为可调参数，fal为单调函数，第一微分滤波器输入变量为力矩环控制器的控制目标tref或其滤波值，输出变量为z41、dz41，其中z41趋近力矩环控制器的控制目标tref数值，dz41趋近力矩环控制器的控制目标tref的导数值dtref。

其进一步技术方案为：所述微分滤波器还包括第二微分滤波器、第三微分滤波器、第四微分滤波器、一个或多个第五微分滤波器；所述第二微分滤波器、第三微分滤波器、第四微分滤波器以及第五微分滤波器分别对应对上臂与下臂之间的相对扭矩ts、电机的转动角度θm、上臂与下臂之间转动的相对角度θl、电机工作时的电流ifbk中至少一个进行滤波和微分处理；其中，所述第二微分滤波器满足以下条件：

eq51：e5＝z51-ts；

eq52：dz51＝-β50*fal(e5,α52,δ52)；

其中，dz51为z51的导数，β50，α52，δ52为可调参数，fal为单调函数，输入变量为上臂与下臂之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z51、dz51，其中z51趋近上臂与下臂之间的相对扭矩ts数值，dz51趋近上臂与下臂之间的相对扭矩ts的导数值dts；

第三微分滤波器满足以下条件：

eq61：e6＝z61-θm；

eq62：dz61＝-β60*fal(e6,α62,δ62)；

其中，dz61为z61的导数，β60，α62，δ62为可调参数，fal为单调函数，输入变量为电机的转动角度θm或其滤波值，输出变量为z61以及dz61，z61趋近电机的转动角度θm数值，dz61趋近电机的转动角度θm的导数值dθm；

第四微分滤波器满足以下条件：

eq71：e7＝z71-θl；

eq72：dz71＝-β70*fal(e7,α72,δ72)；

其中，dz71为z71的导数，β70，α72，δ72为可调参数，fal为单调函数，输入变量为上臂与下臂之间转动的相对角度θl或其滤波值，输出变量为z71、dz71，其中z71趋近上臂与下臂之间转动的相对角度θl数值，dz71趋近上臂与下臂之间转动的相对角度θl的导数值dθl；

所述第五微分滤波器满足以下条件：

eq81：e8＝z81-ifbk；

eq82：dz81＝-β80*fal(e8,α82,δ82)；

其中dz81为z81的导数，β80，α82，δ82为可调参数，fal为单调函数，输入变量为电机工作时的电流ifbk或其滤波值，输出变量为z81、dz81，其中z81趋近电机工作时的电流ifbk数值，dz81趋近电机工作时的电流ifbk的导数值difbk。

其进一步技术方案为：所述滑膜趋近律函数f(s)为等速趋近律函数f＝-sign(s)*ε，或者指数趋近律函数f＝-ks*s-sign(s)*ε，或者幂次趋近律函数f＝-ks*abs(s)^alpha*sign(s)，其中ε、ks、alpha为可调参数，sign为符号函数，abs为绝对值函数。

其进一步技术方案为：所述单调函数fal函数为幂次函数f1，或者为反正切非线性函数f2；

其中，所述幂次函数f1表达式为：

所述反正切非线性函数f2表达式如下：f2(e,α,β)＝β*atan(2αe/π)。

本发明还提供了种动力关节装置的力矩控制系统的力矩控制方法，所述方法包括：

获取电机的转动角度θm、上臂与下臂之间的相对扭矩ts、上臂与下臂之间转动的相对角度θl、电机工作时的电流ifbk以及力矩环控制器的控制目标tref；

观测或滤波所述θm、θl、ts，获取第一扩张观测器的输出z13、第二扩张观测器的输出z23、第三扩张观测器的输出z32以及第一微分滤波器的输出dz41；

根据e＝tref-ts，其中，e为实际测量值ts与控制目标tref的偏差或近似值；de＝dz41-z32或者de＝-z32，其中，de为偏差e的导数近似值；s＝cs*de+e，其中s为滑膜面参数，cs为可调系数；tm＝a*(de-f(s))+b*ts+c*z13+d*z23，其中tm为力矩环控制器输出值；获取力矩环控制器的输出tm；

电流环控制器以tm为控制目标，控制电机输出控制力矩趋近tm，并返回所述获取电机的转动角度θm、上臂与下臂之间的相对扭矩ts、上臂与下臂之间转动的相对角度θl、电机工作时的电流ifbk以及力矩环控制器的控制目标tref的步骤。

其进一步技术方案为：观测或滤波所述θm、θl、ts，获取第一扩张观测器的输出z13、第二扩张观测器的输出z23、第三扩张观测器的输出z32以及第一微分滤波器的输出dz41的步骤之后还包括：

分别对输入的tref、ts、θm、θl、ifbk进行观测，获得输出数据z41、dz41、z51、dz51、z61、z71、z81。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的一种动力关节装置的力矩控制系统，通过在动力关节装置上设置旋转编码器、角度传感器、扭矩传感器以及电流传感器，信号处理单元内采用滑膜控制以实现快速响应，采用扩张观测器观测系统干扰并获得相关观测量的高质量导数，采用微分滤波器对输入数据进行滤波并得到导数，利用处理模块处理输出电流环控制器的控制目标，以控制关节的输出力矩，通过对输入数据和控制目标数据进行滤波、微分、观测以及控制计算，以实现在机器人关节带有柔性、摩擦力快速变化情况下，达到快速响应、鲁棒性强的力矩控制，使得带有动力关节装置的机器人或外骨骼的相关系统具备高灵敏度和稳定性。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明具体实施例提及的动力关节装置的剖切结构示意图；

图2为本发明具体实施例提及的一种动力关节装置的力矩控制系统的工作流程示意图；

图3为本发明具体实施例提供的一种动力关节装置的力矩控制系统的结构框图；

图4为本发明具体实施例提供的一种动力关节装置的力矩控制系统的力矩控制方法的流程图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1～4所示的具体实施例，本实施例提供的一种动力关节装置的力矩控制系统，可以运用在机器人领域，特别适用于外骨骼机器人，实现在机器人关节1带有柔性、摩擦力快速变化情况下，达到快速响应、鲁棒性强的力矩控制，使得带有动力关节1装置的机器人或外骨骼的相关系统具备高灵敏度和稳定性。

本实施例提供的一种动力关节装置的力矩控制系统，包括信号采集单元以及信号处理单元，其中，信号采集单元包括与驱动关节1运动的电机13连接的旋转编码器16、测量上臂11与下臂12相对扭矩的扭矩传感器15、位于关节1上臂11与下臂12之间的角度传感器17以及与驱动关节1运动的电机13连接的电流传感器21；其中，旋转编码器16采集电机13的转动角度θm，扭矩传感器15采集上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts，角度传感器17采集上臂11与下臂12之间转动的相对角度θl，电流传感器21采集电机13工作时的电流ifbk；信号处理单元包括存储器23以及处理器22，处理器22内设有力矩环控制器24和电流环控制器25，力矩环控制器24的输出为电流环控制器25的控制目标tm；

且tm＝a*(de-f(s))+b*t_hat+z_hat；

其中，a、b为根据系统模型确定的常数系数；de为误差导数值，误差e等于tref-ts或其滤波后数据，tref为力矩环控制器24的控制目标；f(s)为滑膜趋近律函数，其中s＝cs*de+e，cs为可调系数；t_hat为ts或其滤波处理后的数据；z_hat为系统干扰数据，系统干扰数据z_hat包括电机13摩擦力干扰值z13和/或上臂11与下臂12的负载及摩擦干扰值z23，系统干扰数据z_hat满足c*z13或者d*z23或者c*z1与d*z23之和，c＝-jm，d＝n*jm,jm为电机13的转动惯量，n为动力关节1的减速机14构减速比。

对于信号采集单元，主要布置在动力关节1装置上，其中，参照图1，动力关节1装置包括有上臂11、下臂12、电机13以及减速机14，上臂11和下臂12在电机13以及减速机14的作用下，可相对转动，上臂11与下臂12在相对转动的过程中，会存在相对角度以及相对扭矩，因此，采用扭矩传感器15测量上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts，角度传感器17采集上臂11与下臂12之间转动的相对角度θl，另外，对于电机13而言，动力关节1装置上设有电机13驱动电路，用于驱动电机13转动，由于电机13内部存在摩擦力，电机13驱动电路输出的电流会大于电机13工作时的电流，电流传感器21采集电机13工作时的电流ifbk，也就是电机13的实际电流，以作为后续力矩环控制器24做出补偿的数据之一。

处理器22放置有实现各项过滤和观测的指令，能够发出控制指令控制电机13按照指令的要求输出力矩，一般的，控制指令所对应的程序会存储于存储器23内，在实际运用中，处理器22会实时调取存储器23内的程序并执行信号处理的过程。

对于上述所提及的tm＝a*(de-f(s))+b*t_hat+z_hat，并参照图2。

在设定时间内，给予动力关节1装置的电机13一定的电流，使得动力关节1装置开始运作，旋转编码器16、扭矩传感器15、角度传感器17以及电流传感器21采集对应的数据，结合力矩环控制器24控制目标tref，也就是力矩环控制器24理论上输入的扭矩值，将数据以及控制目标tref输入至力矩环控制器24内进行滤波、微分、观测以及控制器，计算出电流环控制器25的控制目标tm，也就是电流环控制器25理论上应该具有的输入扭矩值，电流环控制器25的控制目标tm以及电流传感器21采集的数据再经过电流环控制器25后输出能使动力关节1装置到达高灵敏度的电流，并输入至电机13，由电机13输出趋近tm的力矩，以驱动动力关节1装置给予反应。

换而言之，整个系统的工作流程是：利用旋转编码器16、扭矩传感器15、角度传感器17以及电流传感器21采集的动力关节1装置的实际工作数据，结合力矩环控制器24控制目标tref，得出电流环控制器25的控制目标tm，以使实际工作数据趋近于符合要求的数据，达到闭环控制的效果，带有反馈补偿，从而达到提高整个动力关节1装置的灵敏度以及高鲁棒性控制的效果。

更进一步的，上述的常数系数a、b满足：

a＝n*jm/cs；

b＝1/n+n*jm/jl；

其中，jl为动力关节1及负载的转动惯量,cs为可调系数。

更进一步的，参照图3，上述的力矩环控制器24的输入数据包括旋转编码器16、扭矩传感器15、角度传感器17以及电流传感器21采集对应的数据以及力矩环控制器24控制目标tref，其输出连接电流环控制器25，电流环控制器25的输出连接电机13，具体的，上述的力矩环控制器24内设有处理模块243、微分滤波器241和扩张观测器242，通过微分滤波器241或扩张观测器242观测获得误差导数值de，通过扩张观测器242获得系统干扰数据z_hat，所述微分滤波器241以及扩张观测器242获取的数据，输入至所述处理模块243，进行处理输出电流环控制器25的控制目标tm。

更进一步的，上述的扩张观测器242包括第一扩张观测器2421以及至少一个第二扩张观测器2422，第一扩张观测器2421对电机13的转动角度θm或其滤波值进行观测，输出电机13摩擦力干扰值z13，第二扩张观测器2422输出上臂11与下臂12的负载及摩擦干扰值z23。

其中，第一扩张观测器2421满足以下条件:

eq11：e1＝z11-θm_hat；

eq12：dz11＝z12-β10*e1；

eq13：dz12＝z13-β11*fal(e1,α11,δ11)+b11*ifbk_hat+b12*ts_hat；

eq14：dz13＝-β12*fal(e1,α12,δ12)；

其中dz11、dz12、dz13分别对应为z11、z12、z13的导数，β10、β11、β12、α11、α12、δ11、δ12为可调参数，b11、b12为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b11＝1/jm，b12＝-1/(jm*n)，fal为单调函数。

第一扩张观测器2421的输入变量为θm_hat、ifbk_hat以及ts_hat，其中，θm_hat为旋转编码器16采集电机13的转动角度θm或其滤波值，ifbk_hat为电流传感器21采集电机13工作时的电流ifbk或其滤波值，ts_hat为扭矩传感器15采集上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z11、z12、z13，其中，z11趋近电机13的转动角度θm，z12趋近电机13的转动角度θm的导数值，z13趋近于当前电机13摩擦干扰值。

所述第二所述扩张观测器242满足以下条件：

eq21：e2＝z21-θl_hat；

eq22：dz21＝z22-β20*e2；

eq23：dz22＝z23-β21*fal(e2,α21,δ21)+b22*ts_hat；

eq24：dz23＝-β22*fal(e2,α22,δ22)；

其中，dz21、dz22、dz23分别对应为z21、z22、z23的导数，β20、β21、β22、α21、α22、δ21、δ22为可调参数，b22为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b22＝1/jl，jl为动力关节1及负载的转动惯量，fal为单调函数。

上述的第二扩张观测器2422的输入变量为θl_hat和ts_hat，θl_hat为角度传感器17采集上臂11与下臂12之间的相对角度θl或其滤波值，ts_hat为扭矩传感器15采集上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z21、z22、z23，其中z21趋近上臂11与下臂12之间的相对角度θl，z22趋近上臂11与下臂12之间的相对角度θl的导数值，z23趋近于上臂11与下臂12的负载及摩擦干扰值。

更进一步的，上述的误差导数值de满足de＝dtref-dts，其中，dts＝z32，dtref＝dz41。

另外，上述的扩张观测器242包括第三扩张观测器2423，其中，第三扩张观测器2423输出z32，第三扩张观测器2423满足以下条件：

eq31：e3＝z31-ts_hat；

eq32：dz31＝z32-β30*e3；

eq33：dz32＝z33-β31*fal(e3,α31,δ31)+b31*ifbk_hat-b32*ts_hat；

eq34：dz33＝-β32*fal(e3,α32,δ32)；

其中，dz31、dz32、dz33分别对应为z31、z32、z33的导数，β30、β31、β32、α31、α32、δ31、δ32为可调参数，b31、b32为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b31＝k/(n*jm)，b32＝k/jl+k/(n*n*jm)，k为电机13的输出端到关节1负载等效弹簧倔强系数，jl为动力关节1及负载转动惯量，fal为单调函数；b33、b34为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b33＝k/n，b34＝-k。

第三扩张观测器2423输入变量为ifbk_hat、ts_hat，ifbk_hat为电机13工作时的电流ifbk或其滤波值，ts_hat为上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z31、z32、z33，其中z31趋近ts，z32趋近ts的导数值。

于其他实施例，上述的第三扩张观测器2423满足以下条件：

eq31：e3＝z31-ts_hat；

eq32：dz31＝z32-β30*e3；

eq33b：dz32＝z33-β31*fal(e3,α31,δ31)+b31*ifbk-b32*ts+b33*z13+b34*z23；

eq34：dz33＝-β32*fal(e3,α32,δ32)；

其中，α31、α32、δ31、δ32为可调参数，b33、b34为根据被测系统参数设定的常数，其中一种选择为b33＝k/n，b34＝-k，k为电机13的输出端到关节1负载等效弹簧倔强系数，jl为动力关节1及负载转动惯量，fal为单调函数。

第三扩张观测器2423输入变量为ifbk_hat、ts_hat，ifbk_hat为电机13工作时的电流ifbk或其滤波值，ts_hat为上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z31、z32、z33，其中z31趋近ts，z32趋近ts的导数值。

更进一步的，微分滤波器241包括第一微分滤波器2411，其中，第一微分滤波器2411输出z41；且第一微分滤波器2411满足以下条件：

eq41：e4＝z41-tref；

eq42：dz41＝-β40*fal(e4,α42,δ42)；

其中，dz41为z41的导数，β40，α42，δ42为可调参数，fal为单调函数，第一微分滤波器2411输入变量为力矩环控制器24的控制目标tref或其滤波值，输出变量为z41、dz41，其中z41趋近力矩环控制器24的控制目标tref数值，dz41趋近力矩环控制器24的控制目标tref的导数值dtref。

更进一步的，上述的微分滤波器241还包括第二微分滤波器2412、第三微分滤波器2413、第四微分滤波器2414、一个或多个第五微分滤波器2415；第二微分滤波器2412、第三微分滤波器2413、第四微分滤波器2414以及第五微分滤波器2415分别对应对上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts、电机13的转动角度θm、上臂11与下臂12之间转动的相对角度θl、电机13工作时的电流ifbk中至少一个进行滤波和微分处理；其中，上述的第二微分滤波器2412满足以下条件：

eq51：e5＝z51-ts；

eq52：dz51＝-β50*fal(e5,α52,δ52)；

其中，dz51为z51的导数，β50，α52，δ52为可调参数，fal为单调函数，输入变量为上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts或其滤波值，输出变量为z51、dz51，其中z51趋近上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts数值，dz51趋近上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts的导数值dts。

上述的第三微分滤波器2413满足以下条件：

eq61：e6＝z61-θm；

eq62：dz61＝-β60*fal(e6,α62,δ62)；

其中，dz61为z61的导数，β60，α62，δ62为可调参数，fal为单调函数，输入变量为电机13的转动角度θm或其滤波值，输出变量为z61以及dz61，z61趋近电机13的转动角度θm数值，dz61趋近电机13的转动角度θm的导数值dθm。

上述的第四微分滤波器2414满足以下条件：

eq71：e7＝z71-θl；

eq72：dz71＝-β70*fal(e7,α72,δ72)；

其中，dz71为z71的导数，β70，α72，δ72为可调参数，fal为单调函数，输入变量为上臂11与下臂12之间转动的相对角度θl或其滤波值，输出变量为z71、dz71，其中z71趋近上臂11与下臂12之间转动的相对角度θl数值，dz71趋近上臂11与下臂12之间转动的相对角度θl的导数值dθl。

上述的第五微分滤波器2415满足以下条件：

eq81：e8＝z81-ifbk；

eq82：dz81＝-β80*fal(e8,α82,δ82)；

其中dz81为z81的导数，β80，α82，δ82为可调参数，fal为单调函数，输入变量为电机13工作时的电流ifbk或其滤波值，输出变量为z81、dz81，其中z81趋近电机13工作时的电流ifbk数值，dz81趋近电机13工作时的电流ifbk的导数值difbk。

更进一步的，上述的滑膜趋近律函数f(s)为等速趋近律函数f＝-sign(s)*ε，或者指数趋近律函数f＝-ks*s-sign(s)*ε，或者幂次趋近律函数f＝-ks*abs(s)^alpha*sign(s)，其中ε、ks、alpha为可调参数，sign为符号函数，abs为绝对值函数。

在本实施例中，上述的电机13的输出端到关节1负载等效弹簧倔强系数k、电机13的转动惯量jm、动力关节1的减速机14构减速比n、动力关节1及负载转动惯量j1的数值均可以通过实验测得，具体是通过多次测量获取平均值的方式获取上述数值。

上述的单调函数fal函数为幂次函数f1，或者为反正切非线性函数f2；

其中，所述幂次函数f1表达式为：

所述反正切非线性函数f2表达式如下：f2(e,α,β)＝β*atan(2αe/π)。

更进一步的，上述的处理模块243的输入变量为z41、z51、dz41、z32、z13、z23，处理模块243的输出变量为tm，且上述的处理模块243实现以下四个计算：

e＝z41-z51；

de＝dz41-z32；

s＝cs*de+e；

tm＝a*(de-f(s))+b*z32+c*z13+d*z23；

其中：f(s)＝-ks*s-sign(s)*ε；ε、ks为可调参数，常系数a＝n*jm/cs，b＝1/n+n*jm/jl，c＝-jm，d＝n*jm，jm为电机13转动惯量，jl为上臂11和下臂12的相对转动惯量，n为减速机14的减速比，cs为可调参数。

电流环控制器25采用传统pi环实现控制，驱动电机13输出力矩趋近力矩环控制器24输出的控制目标tm。控制电流环控制器25的方法主要是pid控制方法或滑膜控制方法或最优控制方法。

上述的一种动力关节装置的力矩控制系统，通过在动力关节1装置上设置旋转编码器16、角度传感器17、扭矩传感器15以及电流传感器21，信号处理单元内采用滑膜控制以实现快速响应，采用扩张观测器242观测系统干扰并获得相关观测量的高质量导数，采用微分滤波器241对输入数据进行滤波并得到导数，利用处理模块243处理输出电流环控制器25的控制目标，以控制关节1的输出力矩，通过对输入数据和控制目标数据进行滤波、微分、观测以及控制计算，以实现在机器人关节1带有柔性、摩擦力快速变化情况下，达到快速响应、鲁棒性强的力矩控制，使得带有动力关节1装置的机器人或外骨骼的相关系统具备高灵敏度和稳定性。

如图4所示，本实施例还提供了一种动力关节装置的力矩控制系统的力矩控制方法，该方法包括：

s1、获取电机13的转动角度θm、上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts、上臂11与下臂12之间转动的相对角度θl、电机13工作时的电流ifbk以及力矩环控制器24的控制目标tref；

s2、观测或滤波所述θm、θl、ts，获取第一扩张观测器2421的输出z13、第二扩张观测器2422的输出z23、第三扩张观测器2423的输出z32以及第一微分滤波器2411的输出dz41；

s3、根据e＝tref-ts，其中，e为实际测量值ts与控制目标tref的偏差或近似值；de＝dz41-z32或者de＝-z32，其中，de为偏差e的导数近似值；s＝cs*de+e，其中s为滑膜面参数，cs为可调系数；tm＝a*(de-f(s))+b*ts+c*z13+d*z23，其中tm为力矩环控制器24输出值；获取力矩环控制器24的输出tm；

s4、电流环控制器25以tm为控制目标，控制电机13输出控制力矩趋近tm，并返回上述的s1步骤。

对于上述的s1步骤，主要通过旋转编码器16采集电机13的转动角度θm，扭矩传感器15采集上臂11与下臂12之间的相对扭矩ts，角度传感器17采集上臂11与下臂12之间转动的相对角度θl，电流传感器21采集电机13工作时的电流ifbk，并从控制指令内获取力矩环控制器24的控制目标tref。

对于上述的s2步骤，采用第一扩张观测器2421、第二扩张观测器2422、第三扩张观测器2423以及第一微分滤波器2411分别对输入变量θm、θl、ts、tref进行观测或滤波，其中第一扩张观测器2421的输入变量θm_hat＝θm，第二扩张观测器2422的输入变量θl_hat＝θl，第三扩张观测器2423的输入变量ts_hat＝ts，第一微分滤波器2411的输入为tref，分别获得第一扩张观测器2421的输出z13，第二扩张观测器2422的输出z23，第三扩张观测器2423的输出z32以及第一微分滤波器2411的输出dz41，其中，z32趋近于ts的导数值，z13趋近于电机13的摩擦干扰值，z23趋近于上下臂12负载及摩擦干扰值。

更进一步的，在s2步骤之后，还包括：

s21、分别对输入的tref、ts、θm、θl、ifbk进行观测，获得输出数据z41、dz41、z51、dz51、z61、z71、z81。

上述的s21步骤，主要是第一采用微分滤波器241、第二微分滤波器24122、第三微分滤波器2413、第四微分滤波器2414、第五微分滤波器2415分别对输入变量tref、ts、θm、θl、ifbk进行观测，分别对应获得输出数据z41、dz41、z51、dz51、z61、z71、z81。具体的，tref的跟踪信号为z41，tref的微分信号为dz41，ts的跟踪信号为z51，ts的微分信号为dz51，θm的跟踪信号为z61，θl的跟踪信号为z71，ifbk的跟踪信号为z81；换而言之，z41趋近tref，dz41趋近tref导数值，z51趋近ts，z61趋近θm，z71趋近θl，z81趋近ifbk。

对于上述的s3步骤，具体的，上述的e＝tref(或z41)-ts(或z31或z51)，其中e为实际测量值ts与控制目标tref的偏差；

de＝dz41-z32(或dz51)或者de＝-z32，其中de为偏差e的导数近似值；

s＝cs*de+e，其中s为滑膜面参数，cs为可调系数；

tm＝a*(de-f(s))+b*ts+c*z13+d*z23，其中tm为力矩环控制器24输出值。

最优选的，e＝z41-z51；

de＝dz41-z32；

s＝cs*de+e；

tm＝a*(de-f(s))+b*z32+c*z13+d*z23；

其中：f(s)＝-ks*s-sign(s)*ε；a，b，c，d均为根据被测系统参数设定的常数系数，a＝n*jm/cs，b＝1/n+n*jm/jl，c＝-jm，d＝n*jm，其中jm为所述动力关节1电机13转动惯量，n为动力关节1减速机14构减速比，jl为所述动力关节1及负载转动惯量，jm、n、jl数值均可以通过实验测得，ε、ks、cs为可调参数；

对于上述的s4步骤，主要是以tm为目标对电机13实施驱动控制：

按pi控制计算矢量控制输入电压值：

ie＝ie+tm*km-ifbk；

pout＝kp*(tm*km-ifbk)+ki*ie；

以pout为电机13驱动输入值控制pwm输出，其中km为常系数，可实验测得。

另外，对于上述的s4步骤，在实际控制过程中，采用的是pid控制方式或者滑膜控制方式或者最优控制方式。

于其他实施例，上述的s21步骤以及上述的s2步骤的实施顺序可以相对调。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。