串联弹性驱动器的位置控制装置及方法、存储介质、设备与流程

本发明涉及机器人关节位置控制技术，尤其涉及一种机器人关节位置误差补偿方法，具体涉及一种串联弹性驱动器(sea)的位置控制装置及方法、存储介质、设备。

背景技术：

随着工业自动化及机器人技术的飞速发展，工业机械臂、仿生足式机器人、医疗康复机器人等关节机器人在工业医疗康复、太空探索等领域中发挥着越来越重要的作用。机器人在执行操作任务时，其末端位置精度往往依赖多个关节的联合位置控制来保证。从机器人运动学的观点来分析，机器人关节位置控制误差会累积至机器人末端，尤其对于多个关节构成的串联末端(如工业机器人末端、仿生足式机器人足端、人形机器人的足端与手部)，且关节之间的连杆尺寸较大时，即使关节位置控制误差较小，也会使末端产生较大的位置误差。此外，关节位置控制响应性能也直接影响末端位置响应性能：关节位置控制响应越快则末端响应也越快；关节位置控制的超调也会进一步引起末端位置的较大波动；关节位置的调节时间越大，末端位置波动时间也越长。因此，机器人关节位置控制性能是决定机器人末端控制性能的一个重要方面，也是机器人执行操作任务的重要技术基础。

现有机械臂关节由串联弹性驱动器(serieselasticactuators，sea)控制，sea是一种弹性驱动器，一般由机架(f)、电机(m)、减速机(g)、弹性元件(s)(如弹簧等)与负载连杆(l)等组成，如图1a、图1b、图1c所示，sea一般具有三种连接方式。sea的力矩控制性能一般比较好，常常作为高精度的力矩控制驱动器应用于机器人的某一关节，称之为sea关节；sea关节一般具有较高的柔性，在位置控制中sea关节的位置控制误差会由于负载作用而变大；而在动态情况下，由于负载惯量的原因，高精度的动态跟踪对sea关节更为困难；特别地，当弹性驱动关节的弹簧刚度较小而负载较大时，弹性驱动关节的高柔性使得高精度的位置控制成为一种挑战，因此，sea纯关节位置控制常用于空载或者轻载的场合。

sea关节位置控制主要目的是保证关节位置与目标关节位置的一致性，常用的控制方法有比例微分控制(pd控制)、线性二次型调节器(lqr)控制等。关节位置pd控制常常体现出较快的响应速度、高超调与较长的调节时间，在负载作用下pd控制的调节时间可能会进一步增长甚至导致控制发散。lqr控制常常使sea关节体现出与弹簧刚度直接相关的等效刚度，其超调量与调节时间一般很小，在硬件选择合适与参数调节合理的情况下，响应时间也能达到一定的控制要求，并且该控制能赋予关节控制等效于弹簧刚度的柔顺性，使得该控制方法能够满足冲击载荷的要求，该控制方法实际是以电机位置控制为主要目标，而以牺牲关节位置控制精度换取关节位置控制的高柔顺性，因此在负载情况下，其精度很差，一般不用于较大负载情况。

由于常用的sea关节纯位置控制方法难以满足相对较高负载的位置控制综合性能的要求，本领域技术人员亟需研发一种适用于所有线性弹性驱动关节的通用位置控制方法，能够有效提高弹性驱动关节在负载情况下的位置控制精度、响应速度、调节时间等综合性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种串联弹性驱动器的位置控制装置及方法、存储介质、设备，解决了现有机器人机械臂关节在负载情况下，位置控制精度低、响应速度慢、调节时间长的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种串联弹性驱动器的位置控制装置，包括：关节受控对象；传感器，设置在所述关节受控对象上，用于检测所述关节受控对象的关节位置实际值和等效弹簧变形量；减法器，用于根据关节期望位置和所述关节位置实际值得到关节位置控制误差，其中，所述减法器的一输入端与所述传感器连接，所述减法器的另一输入端接收所述关节期望位置；pd控制器，其输入端与所述减法器的输出端连接，用于根据所述关节位置控制误差获得pd输出值；反向乘法器，用于根据所述等效弹簧变形量获得等效弹簧变形量增益值，所述反向乘法器的输入端与所述传感器连接；加法器，用于根据所述pd输出值和所述等效弹簧变形量增益值得到减速机输出轴速度控制量，其中，所述加法器的一输入端与所述pd控制器的输出端连接，所述加法器的另一输入端与所述反向乘法器的输出端连接；乘法器，其输入端与所述加法器的输出端连接，用于根据所述减速机输出轴速度控制量和减速比得到电机输出轴速度控制量；电机系统，用于根据所述电机输出轴速度控制量拖动所述关节受控对象运动，所述电机系统的输入端与所述乘法器的输出端连接，所述电机系统的输出端与所述关节受控对象连接。

本发明的具体实施方式还提供一种串联弹性驱动器的位置控制方法，包括：利用传感器获取关节受控对象的关节位置实际值；利用直接法或间接法测量所述关节受控对象的等效弹簧变形量；利用反向乘法器根据所述等效弹簧变形量计算等效弹簧变形量增益值；根据关节期望位置和所述关节位置实际值得到pd输出值；根据所述pd输出值和所述等效弹簧变形量增益值得到减速机输出轴速度控制量；根据所述减速机输出轴速度控制量和减速比得到电机输出轴速度控制量；利用所述电机输出轴速度控制量控制电机拖动所述关节受控对象运动。

本发明的具体实施方式还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现串联弹性驱动器的位置控制方法的步骤。

本发明的具体实施方式还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现串联弹性驱动器的位置控制方法的步骤。

根据本发明的上述具体实施方式可知，串联弹性驱动器的位置控制装置及方法、存储介质、设备，至少具有以下有益效果：事先考虑了sea(串联弹性驱动器)关节的弹性元件在负载作用下的变形量，根据变形量进行补偿控制，根据sea关节的实际到达位置与期望位置进行反馈控制，从而提高sea关节位置控制精度，能够有效地降低调节时间，取得与pd控制(比例微分控制)几乎相同的响应时间。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1a为现有串联弹性驱动器关节的结构图一。

图1b为现有串联弹性驱动器关节的结构图二。

图1c为现有串联弹性驱动器关节的结构图三。

图2a为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器关节期望位置与实际到达位置偏差图。

图2b为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器关节位置控制原理图。

图3为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制装置的实施例一的结构示意图。

图4为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制装置的实施例二的结构示意图。

图5为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制装置的实施例三的结构示意图。

图6为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制装置的实施例四的结构示意图。

图7为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制方法的流程图。

附图标记说明：

1关节受控对象2传感器

3减法器4pd控制器

5反向乘法器6加法器

7乘法器8电机系统

41比例增益器42微分器

43速度增益器44内置加法器

45内置减法器81减速机

82电机83电机控制器

f机架m电机

g减速机s弹性元件

l负载连杆

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

图2a为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器(sea)关节期望位置与实际到达位置偏差图；图2b为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器关节位置控制原理图，如图2a所示，假如sea关节的关节期望位置为在负载作用下会产生弹簧变形量从而导致sea关节的关节位置实际值是无法满足高负载作用下，sea关节位置控制精度的要求。为解决上述问题，提高负载作用下sea关节的位置控制精度，可以估算在负载作用下弹簧变形量δ′，由原期望位置重新计算新的关节期望位置若sea关节在负载作用下，使得弹簧发生变形δ′，若该弹簧变形量估算准确，那么sea关节的关节位置实际值会恢复到原关节期望位置处如图2b所示，实现sea关节位置的精确控制。

图3为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制装置的实施例一的结构示意图，如图3所示，减法器从传感器获得关节位置实际值，预先设定关节期望位置，减法器对关节位置实际值和关节期望位置作差得到关节位置控制误差，pd控制器根据关节位置控制误差获得pd输出值；反向乘法器根据等效弹簧变形量获得等效弹簧变形量增益值；加法器从反向乘法器获得的等效弹簧变形量增益值，并对等效弹簧变形量增益值和pd输出值作和，得到减速机输出轴速度控制量；乘法器根据减速机输出轴速度控制量和减速比得到电机输出轴速度控制量(即电机输出轴速度控制输入量)；电机系统根据电机输出轴速度控制量拖动关节受控对象运动。

该附图所示的具体实施方式中，串联弹性驱动器的位置控制装置包括：关节受控对象1、传感器2、减法器3、pd控制器4、反向乘法器5、加法器6、乘法器7和电机系统8。其中，传感器2设置在所述关节受控对象1上，传感器2用于检测所述关节受控对象1的关节位置实际值和等效弹簧变形量δ；减法器3用于根据关节期望位置和所述关节位置实际值得到关节位置控制误差l，其中，所述减法器3的一输入端与所述传感器2连接，所述减法器3的另一输入端接收所述关节期望位置关节位置实际值亦称为关节位置实际反馈值；pd控制器4的输入端与所述减法器3的输出端连接，pd控制器4用于根据所述关节位置控制误差获得pd输出值；反向乘法器5用于根据所述等效弹簧变形量获得等效弹簧变形量增益值，即等效弹簧变形量δ乘以反向乘法器5的增益k后得到等效弹簧变形量增益值kδ，其中，所述反向乘法器5的输入端与所述传感器2连接，所述反向乘法器5的输出端与加法器6的一输入端连接；加法器6用于根据所述pd输出值和所述等效弹簧变形量增益值kδ得到减速机输出轴速度控制量ωg，其中，所述加法器6的一输入端与所述pd控制器4的输出端连接，所述加法器6的另一输入端与所述反向乘法器的输出端连接；乘法器7的输入端与所述加法器6的输出端连接，乘法器7用于根据所述减速机输出轴速度控制量ωg和减速比gear得到电机输出轴速度控制量ωmd，亦即减速机输入轴速度控制量，其中，ωmd＝ωg×gear；电机系统8用于根据所述电机输出轴速度控制量ωmd拖动所述关节受控对象1运动，所述电机系统8的输入端与所述乘法器7的输出端连接，所述电机系统8的输出端与所述关节受控对象1连接。本发明的优选实施例中，关节受控对象1(plant)是串联弹性驱动器关节连杆、负载物理元件等；传感器2可以是编码器，传感器2可以检测关节受控对象1的等效弹簧变形量δ和关节位置实际值(即关节角度)等信息。

参见图3，预先考虑了sea关节在负载作用下的变形量，根据sea关节的关节位置实际值与关节期望位置进行反馈控制，可以有效地提高sea关节位置控制精度，降低sea关节调节时间，并取得与pd控制几乎相同的响应时间。

关节受控对象1可以是串联弹性驱动器关节连杆。当弹簧(弹性件)变形方向与sea关节运动方向完全相同时，等效弹簧变形量δ即为弹簧本身的变形量，当弹簧变形方向与sea关节运动方向不同时，需要根据sea关节的具体结构进行等效，得到与sea关节运动方向相同的等效弹簧变形量δ，实现对sea关节的精确控制。

图4为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制装置的实施例二的结构示意图，如图4所示，pd控制器具体可以包括比例增益器、微分器、速度增益器和内置加法器。

该附图所示的具体实施方式中，所述pd控制器4具体包括比例增益器41、微分器42、速度增益器43和内置加法器44。其中，比例增益器41用于对所述关节位置控制误差l进行增益处理，其中，所述比例增益器41的输入端与所述减法器3的输出端连接；微分器42用于对所述关节位置控制误差l进行微分处理获得关节运动速度误差其中，即关节运动速度误差为关节位置控制误差l对时间t求微分，所述微分器42的输入端与所述减法器3的输出端连接；速度增益器43用于对所述关节运动速度误差进行增益处理，其中，所述速度增益器43的输入端与所述微分器42的输出端连接；内置加法器44用于求取所述关节运动速度误差的增益和所述关节位置控制误差的增益之和，获得所述pd输出值并输送给所述加法器6，其中，pd输出值为所述内置加法器44的一输入端与所述比例增益器41的输出端连接，所述内置加法器44的另一输入端与所述速度增益器43的输出端连接，所述内置加法器44的输出端与所述加法器6的一输入端连接。本发明的一个优选具体实施方式中，减速机输出轴速度控制量ωg的具体计算公式可以为即减速机输入轴速度控制量ωmd(即电机输出轴速度控制量)是ωmd＝ωg×gear，即

参见图4，预先考虑了sea关节在负载作用下的变形量，从位置层面对sea关节的期望位置进行调整，实现较大负载下，sea关节位置控制综合性能的提升。

图5为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制装置的实施例三的结构示意图，如图5所示，pd控制器具体可以包括比例增益器、微分器、速度增益器和内置减法器。

该附图所示的具体实施方式中，所述pd控制器4具体包括比例增益器41、微分器42、速度增益器43和内置减法器45。其中，比例增益器41用于对所述关节位置控制误差l进行增益处理，其中，所述比例增益器41的输入端与所述减法器3的输出端连接；微分器42用于对所述关节位置实际值进行微分处理获得关节速度实际值通常将关节期望速度设为0，所述微分器42的输入端与所述传感器2的输出端连接；速度增益器43用于对所述关节速度实际值进行增益处理(即对关节速度误差的相反数进行增益处理)，其中，所述速度增益器43的输入端与所述微分器42的输出端连接；内置减法器45用于求取所述关节位置控制误差的增益和所述关节速度实际值的增益之差(亦即求取关节位置控制误差与关节速度误差之和)，获得所述pd输出值并输送给所述加法器6，其中，pd输出值为所述内置减法器45的一输入端与所述比例增益器41的输出端连接，所述内置减法器45的另一输入端与所述速度增益器43的输出端连接，所述内置减法器45的输出端与所述加法器6的一输入端连接。本发明的优选实施方式中，减速机输出轴速度控制量ωg具体计算公式为即减速机输入轴速度控制量ωmd(即电机输出轴速度控制量)是ωmd＝ωg×gear，即

参见图5，预先考虑了sea关节在负载作用下的变形量，从位置层面对sea关节的期望位置进行调整，实现较大负载下，sea关节位置控制综合性能的提升。

图6为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制装置的实施例四的结构示意图，如图6所示，电机系统具体包括减速机、电机和电机控制器，减速机带动关节受控对象运动，电机带动所述减速机运转，电机控制器根据电机输出轴速度控制量控制电机转运。

该附图所示的具体实施方式中，电机系统8具体包括：减速机81、电机82和电机控制器83。其中，减速机81与所述关节受控对象1机械连接，减速机81用于通过弹性元件带动所述关节受控对象1运动；电机82与所述减速机81机械连接，电机82用于带动所述减速机81运转；电机控制器83与所述乘法器7连接，电机控制器83用于根据所述电机输出轴速度控制量控制所述电机82转运。

参见图6，考虑了sea弹性元件的变形量，并对关节期望位置进行了补偿控制，使得关节位置控制可以获得更高的精度，有效的降低调节时间，使得sea关节位置控制能够快速稳定，同时可以取得与pd控制几乎相同的响应时间，获得更好综合位置控制性能。

图7为本发明具体实施方式提供的一种串联弹性驱动器的位置控制方法的流程图，如图7所示的方法可以应用到图2a至图6所示的装置中，获取关节受控对象的关节位置实际值，并测量其等效弹簧变形量；根据关节期望位置和关节位置实际值得到pd输出值，根据pd输出值和等效弹簧变形量增益值得到减速机输出轴速度控制量；再根据减速机输出轴速度控制量得到电机输出轴速度控制量(即减速机输入轴速度控制输入量)；最后，利用电机输出轴速度控制量控制电机拖动关节受控对象运动。

该附图所示的具体实施方式中，串联弹性驱动器的位置控制方法包括：

s101：利用传感器获取关节受控对象的关节位置实际值。本发明的实施例中，传感器(sensor)可以为编码器；关节位置实际值通常以关节角度表示。

s102：利用直接法或间接法测量所述关节受控对象的等效弹簧变形量。本发明的实施例中，等效弹簧变形量的测量方法有直接法与间接法两种方式。

s103：利用反向乘法器根据所述等效弹簧变形量计算等效弹簧变形量增益值。本发明的实施例中，反向乘法器的乘子为k，等效弹簧变形量δ与乘子k之积即为等效弹簧变形量增益值kδ。

s104：根据关节期望位置和所述关节位置实际值得到pd输出值。本发明的实施例中，关节期望位置与关节位置实际值之差为pd输出值。

s105：根据所述pd输出值和所述等效弹簧变形量增益值得到减速机输出轴速度控制量。本发明的实施例中，pd输出值与等效弹簧变形量增益值kδ之和为减速机输出轴速度控制量。

s106：根据所述减速机输出轴速度控制量和减速比得到电机输出轴速度控制量。本发明的实施例中，减速机输出轴速度控制量ωg和减速比gear之积为电机输出轴速度控制量ωmd。

s107：利用所述电机输出轴速度控制量控制电机拖动所述关节受控对象运动。本发明的实施例中，步骤s107具体包括：根据电机输出轴速度控制量控制电机转动；所述电机的输出轴带动减速机运转；所述减速机通过sea弹性元件拖动所述关节受控对象运动。

参见图7，考虑到了sea关节本身会在负载作用下的变形，还考虑了sea弹性元件的变形量，并对关节期望位置进行补偿控制，使得sea关节位置控制可以获得更高的精度，有效的降低调节时间，并能够取得与pd控制几乎相同的响应时间，获得更好综合位置控制性能。

本发明优选具体实施方式中，利用直接法测量所述关节受控对象的等效弹簧变形量的步骤，具体包括：通过电机高速端增量编码器获得电机输出轴实际位置；通过减速机特性获得减速比；根据所述电机输出轴实际位置和所述减速比得到减速机输出轴实际位置；通过关节端绝对编码器获得关节位置实际值；根据所述减速机输出轴实际位置和所述关节位置实际值得到所述等效弹簧变形量。

由于sea关节的弹性元件(如小刚度弹簧)的柔性一般远小于电机减速机(特别是谐波减速机)的柔性，因此默认减速机输出轴实际位置与关节期望位置是相同的，从而可以认为等效弹簧变形量为减速机输出轴实际位置与关节位置实际值的差，即等效弹簧变形量为因此可以根据电机高速端增量编码器得到的电机输出轴实际位置，关节端绝对编码器得到的关节位置实际值以及减速比来计算等效弹簧变形量，具体来说就是：根据电机高速端增量编码器得到的电机输出轴实际位置，再结合减速比gear得到减速机输出轴实际位置根据关节端绝对编码器得到关节位置实际值则等效弹簧变形量

本发明优选具体实施方式中，利用间接法测量所述关节受控对象的等效弹簧变形量的步骤，具体包括：测量串联弹性驱动器关节的力矩；根据弹性元件刚性系数和关节结构特性参数计算关节等效刚度；根据所述力矩和所述关节等效刚度计算所述等效弹簧变形量。

具体地，首先测量sea关节的力矩τ，再根据关节等效刚度ks间接得到等效弹簧变形量δ，关节力矩τ可以通过增加额外的力矩传感器测量得到，对于由较大刚度的弹性元件(柔性元件)构成的sea关节，也可以通过贴应变片等方式测量得到；关节等效刚度ks可以通过弹性元件本身刚度系数与不同的sea关节结构特性参数换算得到，关节等效刚度ks一般为固定参数。

本发明优选具体实施方式中，测量串联弹性驱动器关节的力矩的步骤，具体包括：利用力矩传感器或者应变片测量串联弹性驱动器关节的力矩。

本发明的具体实施方式还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现串联弹性驱动器的位置控制方法，方法包括以下步骤：

s101：利用传感器获取关节受控对象的关节位置实际值。

s102：利用直接法或间接法测量所述关节受控对象的等效弹簧变形量。

s103：利用反向乘法器根据所述等效弹簧变形量计算等效弹簧变形量增益值。

s104：根据关节期望位置和所述关节位置实际值得到pd输出值。

s105：根据所述pd输出值和所述等效弹簧变形量增益值得到减速机输出轴速度控制量。

s106：根据所述减速机输出轴速度控制量和减速比得到电机输出轴速度控制量。

s107：利用所述电机输出轴速度控制量控制电机拖动所述关节受控对象运动。

本发明的具体实施方式还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现串联弹性驱动器的位置控制方法，方法包括以下步骤：

s101：利用传感器获取关节受控对象的关节位置实际值。

s102：利用直接法或间接法测量所述关节受控对象的等效弹簧变形量。

s103：利用反向乘法器根据所述等效弹簧变形量计算等效弹簧变形量增益值。

s104：根据关节期望位置和所述关节位置实际值得到pd输出值。

s105：根据所述pd输出值和所述等效弹簧变形量增益值得到减速机输出轴速度控制量。

s106：根据所述减速机输出轴速度控制量和减速比得到电机输出轴速度控制量。

s107：利用所述电机输出轴速度控制量控制电机拖动所述关节受控对象运动。

上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。