一种空间站机械臂关节力传感器温漂补偿方法与流程

1.本发明属于空间机械臂/机器人技术领域，涉及一种空间站机械臂关节力传感器温漂补偿方法，用于补偿由于空间高低温环境影响而发生的关节力传感器温漂现象。


背景技术：

2.空间站机械臂关节内均设计集成了一维力传感器，用于机械臂力控制模式下完成关节力矩的闭环控制。受空间高低温环境影响，关节结构存在周期性应变，将导致关节力传感器发生温漂现象。如果对力传感器温漂不加以补偿，则关节力矩实际状态与期望状态会发生较大偏差，影响机械臂关节力矩状态感知和在轨任务实施。
3.经过对相关文献检索，许多研究均采用查表法完成对力传感器温漂的补偿，即利用温度传感器获取当前温度状态，再查表获得力传感器零点补偿系数，完成温漂补偿。但是由于空间环境、机械臂关节设计状态等特殊因素影响，随着关节运动，不同关节角度下的关节结构应变存在显著不同，则力传感器温漂应当补偿不同的状态，即温漂补偿系数即与温度有关，也与关节角度有关，文献已有方法均不合适。因此，需要一种快速、准确的关节力传感器温漂补偿方法，其对于空间站机械臂的在轨任务实施至关重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种空间站机械臂关节力传感器温漂补偿方法，解决了常用补偿方法无法耦合关节角度状态的问题，能够实现对关节力传感器温漂的快速、准确补偿，同时计算效率高、补偿精度高，适用于空间站机械臂在轨任务实施。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.首先记录空载状态下，各梯度分布的测试温度下不同关节角度时力传感器测试值；根据不同关节角度时力传感器测试值确定每一测试温度下温漂补偿函数中的系数，得到每一测试温度下的温漂补偿函数；根据各测试温度下的温漂补偿函数插值得到当前温度补偿值。
7.具体的，一种空间站机械臂关节力传感器温漂补偿方法，包括：
8.在机械臂的工作温度区间内，选择梯度变化的m个测试温度t1，t2，
…
tm；
9.机械臂空载状态下，在每一测试温度，记录不同关节角度时力传感器测试值；
10.建立关于关节角度的温漂补偿函数，根据不同关节角度时力传感器测试值确定每一测试温度下温漂补偿函数中的系数，得到每一测试温度下的温漂补偿函数；
11.机械臂实际工作过程中，记当前温度为t，当前关节角度为θ
now
，当t∈[tq,t
q+1
]时，根据测试温度tq下的温漂补偿函数和测试温度t
q+1
下的温漂补偿函数，得到温度tq、关节角度θ
now
时的温度补偿值和温度t
q+1
、关节角度θ
now
时的温度补偿值1≤q＜m；
[0012]
根据和插值得到当前温度补偿值
[0013]
利用当前温度补偿值对当前力传感器的实测值进行补偿。
[0014]
进一步的，所述温漂补偿函数为基于正弦函数的拟合函数。
[0015]
进一步的，温漂补偿函数为采用叠加正弦函数的拟合函数：
[0016][0017]
其中，表示温度tq下、关节角度为θ时的力传感器拟合值，n表示正弦函数的组数，n＞1；ai、bi、ci为温漂补偿函数中的系数，其中ai表示正弦函数幅值，bi表示关节角度系数，ci表示正弦函数平移量，1≤i≤n；
[0018]
进一步的，n＝2～6。
[0019]
进一步的，根据不同关节角度时力传感器测试值确定每一测试温度下温漂补偿函数中的系数，得到每一测试温度下的温漂补偿函数的具体方法为：
[0020][0021]
其中，δj为温度tq下、关节角度为θj时的力传感器拟合值与温度tq下、关节角度为θj时的力传感器测试值之间的残差，1≤j≤n，n为温度tq下不同关节角度的总个数。
[0022]
进一步的，在每一测试温度，记录的不同关节角度时力传感器测试值包括：关节正向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
正向
和关节反向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
反向
；
[0023]
每一测试温度下的温漂补偿函数包括正向温漂补偿函数和反向温漂补偿函数；其中，正向温漂补偿函数中的系数根据τ
正向
确定，反向温漂补偿函数根据τ
反向
确定；
[0024]
机械臂实际工作过程中，首先确定当前关节角度θ
now
为关节正向运动过程中或关节反向运动过程中的关节角度，再根据相应的正向温漂补偿函数或反向温漂补偿函数得到温度tq、关节角度θ
now
时的温度补偿值和温度t
q+1
、关节角度θ
now
时的温度补偿值
[0025]
进一步的，使关节由-180
°
正向运动至180
°
，得到一组不同关节角度时力传感器测试值；重复该步骤≥3次，得到多组不同关节角度时力传感器测试值，对多组不同关节角度时力传感器测试值进行平均，得到关节正向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
正向
；
[0026]
使关节由180
°
反向运动至-180
°
，得到一组不同关节角度时力传感器测试值；重复该步骤≥3次，得到多组不同关节角度时力传感器测试值，对多组不同关节角度时力传感器测试值进行平均，得到关节反向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
反向
。
[0027]
进一步的，根据和插值得到当前温度补偿值的具体方法为：
[0028]
[0029]
进一步的，利用当前温度补偿值对当前力传感器的实测值进行补偿的具体方法为，使当前力传感器的实测值减去
[0030]
进一步的，梯度变化的m个测试温度t1，t2，
…
tm中，相邻两个测试温度之间相差20～40℃。
[0031]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0032]
(1)本发明创造性的利用空载状态下力传感器测试值，建立了关节角度的温漂补偿函数，解决了常用补偿方法无法耦合关节角度状态的问题，同时补偿函数简单，计算效率高，补偿精度高，适用于空间站机械臂在轨任务实施；
[0033]
(2)本发明在各测试温度下将温漂补偿函数设定为叠加正弦函数的拟合函数，通过最小二乘拟合算法完成叠加正弦函数系数拟合，简化了补偿方法，大幅提高了补偿精度；
[0034]
(3)本发明采用插值方法，利用各测试温度下将温漂补偿函数即可得到各测试温度区间内任意温度、任意角度的温漂补偿值，在保证较高补偿精度的基础上，具有普遍适用性；
[0035]
(4)本发明考虑了关节的正向运动和反向运动，使补偿结果更加接近真实情况。
附图说明
[0036]
图1为同一关节角度、不同测试温度关节运动的力传感器测试结果；
[0037]
图2为本发明同一温度下、关节正反向运动过程中不同关节角度时力传感器测试结果；
[0038]
图3为关节正向角度运动时，本发明所得温漂补偿值与理论温漂补偿值的对比曲线；
[0039]
图4为为关节反向角度运动时，本发明所得温漂补偿值与理论温漂补偿值的对比曲线。
具体实施方式
[0040]
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0041]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0042]
由于温漂补偿与关节温度环境和关节转动角度状态有关，本发明首先完成空载状态下不同温度值(按梯度分布)关节运动的力传感器测试；根据关节设计状态，建立关于关节角度的温漂补偿函数；完成温漂补偿函数系数拟合，确定基于关节角度的温漂补偿函数；实际应用中，关节采集当前温度和角度，按照当前温度所属温度区间上限值和下限值分别得到温漂补偿值，进行温度区间插值后，作为当前温度的温漂补偿值。
[0043]
具体的，本发明一种空间站机械臂关节力传感器温漂补偿方法包括：
[0044]
首先完成空载状态下不同温度区间内关节运动的力传感器测试。以工作温度区间内、梯度变化的一系列温度作为测试温度，当环境温度稳定后，记录关节运动过程中，每一
测试温度下、不同关节角度时力传感器测试值，由于空载状态下力传感器的理论值应为0，上述过程中记录的力传感器测试值实际为在温度和关节角度共同影响下产生的误差值，即理论温漂补偿值。
[0045]
优选的，可在每一测试温度下，使关节自-180
°
正向运动至180
°
并重复三次试验，自180
°
反向运动至-180
°
并重复三次试验，记录关节正向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
正向
和关节反向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
反向
。
[0046]
根据关节设计状态，运动状态下力传感器测试值随着关节角度值呈现正弦变化趋势，因此优选采用叠加正弦函数作为拟合函数，即温漂补偿函数：
[0047][0048]
其中表示温度tq下、关节角度为θ时的力传感器拟合值，n表示正弦函数的组数；ai、bi、ci表示正弦函数的三类系数：ai表示正弦函数幅值，bi表示关节角度系数，ci表示正弦函数平移量。
[0049]
考虑空间站机械臂计算资源有限，同时对拟合结果精度要求较高，优选2～6组正弦函数叠加形式，更加优选的，采用4组正弦函数叠加形式，即上式中n＝4，获得如下公式：
[0050][0051]
为使得拟合后的近似曲线尽可能反映数据变化趋势，要求在每一个数据点(同一温度、不同关节角度)上的残差δj都比较小。
[0052][0053]
其中δj为当前数据点的残差，为当前数据点的力传感器测试值。
[0054]
为了达到该目的，通过最小二乘拟合算法，令上述残差的平方和最小，即
[0055][0056]
其中j代表同一温度、不同关节角度的第j个数据点；为温度tq下，关节角度为θj时的力传感器拟合值；为温度tq下，关节角度为θj时的力传感器实测值；n代表同一温度、不同关节角度下测试数据点的总个数。根据上式可求解得到正弦函数系数值ai、bi和ci(i＝1,2,3,4)，即适用于温度tq条件下拟合函数的系数。对于关节正向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
正向
和关节反向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
反向
，分别执行上述步骤，得到各测试温度下的正向温漂补偿函数和反向温漂补偿函数。
[0057]
将计算得到温度t1、t2的温漂补偿函数分别记为和假设当前关节角度θ＝θ
now
、当前温度t∈[t1,t2]，则当前温漂补偿值为：
[0058][0059]
机械臂实际工作过程中，根据关节速度旋变得到的运动速度值(含正负号)判断当前关节角度处于正向运动过程中或出于反向运动过程中，选择正向温漂补偿函数或反向温漂补偿函数得到当前温漂补偿值。
[0060]
下面结合附图1～4对本发明的方法做进一步说明。
[0061]
首先开展空载状态下，同一关节角度、不同测试温度的关节运动的力传感器测试，图1(a)为不同测试温度的变化曲线，图1(b)为在图1(a)所示的不同测试温度下，力传感器测得的扭矩值，从图1中能够发现同一关节角度、不同温度下关节力传感器均存在温漂，且为复杂非线性关系，由此可知不同温度下力传感器温漂(即补偿值)不同，且相差较大，必须在实际应用中予以补偿，否则力传感器无法应用。
[0062]
同一温度下，关节正向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
正向
和关节反向运动过程中不同关节角度时力传感器测试值τ
反向
如图2所示，从图2中可以看到，同一温度、不同关节角度下，关节力传感器温漂曲线大致呈现正弦函数关系。因此，确定叠加正弦函数作为温漂拟合函数，其补偿函数简单，计算效率高。
[0063]
根据本发明计算方法获得的某温度、不同关节角度下的温漂补偿值与该温度下理论温漂补偿值具有较高的近似性，该温度下理论温漂补偿值即空载状态下，该温度不同关节角度下力传感器实际测试值。图3为关节正向角度运动对比曲线，图4为关节反向角度运动对比曲线，从图中可以看到，叠加正弦拟合函数的温漂补偿值与实测数据吻合很好，最大偏差不超过10％，表明本发明补偿精度高，适合工程应用。
[0064]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0065]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。