一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质与流程

文档序号:25541749发布日期:2021-06-18 20:38阅读:102来源:国知局
一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质与流程

本申请属于串联弹性驱动器(serieselasticactuator,sea)技术领域,尤其涉及一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质。



背景技术:

串联弹性驱动器技术是一种力控关节技术,通过在电机与负载之间串联弹性元件(弹簧等)实现,当电机驱动负载运动时,首先会使弹性元件发生弹性形变以产生弹性力矩,通过弹性力矩驱动负载运动,可通过测量弹性元件的形变量获得用于驱动负载的弹性力矩的大小。弹性元件提高了负载的柔顺性和抗冲击性,使得负载容易反驱,有天然的被动安全特性;同时,通过检测已标定刚度的弹性元件的形变量来检测弹性力矩,有较高的力保真性,进而可实现精确的力矩控制;此外,还可通过弹性元件实现能量的储存与释放,提高能量的使用效率。然而,弹性元件的引入使得串联弹性驱动器的刚度明显下降,从而使得串联弹性驱动器的力控带宽与刚性驱动器相比明显下降,此外,由于弹性元件将电机与负载解耦,其力控算法更加复杂,且负载更容易受到扰动影响,影响力矩控制的精度和鲁棒性。



技术实现要素:

有鉴于此,本申请实施例提供了一种力矩控制方法、装置、终端设备及存储介质,以解决现有技术中串联弹性驱动器的力控算法复杂,负载更容易受到扰动影响,影响力矩控制的精度和鲁棒性的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种力矩控制方法,包括:

建立串联弹性驱动器的标称动力学模型;

通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩,获得实时扰动量;

通过前馈补偿器根据所述标称动力学模型和所述电机的转动惯量的缩放系数,获得前馈动力学模型;

根据所述前馈动力学模型和所述串联弹性驱动器的期望输出力矩,获得前馈补偿量;

根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值,获得期望电流值并输出至所述电机。

本申请实施例的第二方面提供了一种力矩控制装置,包括:

模型建立单元,用于建立串联弹性驱动器的标称动力学模型;

扰动观测单元,用于通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩,获得实时扰动量;

前馈补偿单元,用于通过前馈补偿器根据所述标称动力学模型和所述电机的转动惯量的缩放系数,获得前馈动力学模型;根据所述前馈动力学模型和所述串联弹性驱动器的期望输出力矩,获得前馈补偿量;

比例微分单元,用于根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值,获得期望电流值并输出至所述电机。

本申请实施例的第三方面提供了一种终端设备,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,还包括串联弹性驱动器和负载,所述串联弹性驱动器包括电机和弹性元件,所述串联弹性驱动器与所述负载连接,所述处理器执行所述计算机程序时实现如本申请实施例的第一方面所述方法的步骤。

本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如本申请实施例的第一方面所述方法的步骤。

本申请实施例的第一方面提供的力矩控制方法,通过建立串联弹性驱动器的标称动力学模型;通过扰动观测器根据标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻串联弹性驱动器的输出力矩,获得实时扰动量;通过前馈补偿器根据标称动力学模型和电机的转动惯量的缩放系数,获得前馈动力学模型;根据前馈动力学模型和串联弹性驱动器的期望输出力矩,获得前馈补偿量;根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值,获得期望电流值并输出至所述电机,可以提高动态响应性能,确保控制精度和对外界扰动的鲁棒性,实现更好的控制效果,提高稳定性且算法简单。

可以理解的是,上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述,在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的力矩控制方法的流程示意图;

图2是本申请实施例提供的扰动观测器的数学模型的示意图;

图3是本申请实施例提供的力矩控制装置的结构示意图;

图4是本申请实施例提供的终端设备的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中,为了说明而不是为了限定,提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节,以便透彻理解本申请实施例。然而,本领域的技术人员应当清楚,在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中,省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明,以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解,当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解,在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样,术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地,短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外,在本申请说明书和所附权利要求书的描述中,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此,在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例,而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”,除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”,除非是以其他方式另外特别强调。

本申请实施例提供的力矩控制方法,可以应用于机器人、机械臂、可穿戴设备、车载设备、增强现实(augmentedreality,ar)/虚拟现实(virtualreality,vr)设备等终端设备。终端设备包括处理器、串联弹性驱动器和负载,处理器用于控制串联弹性驱动器驱动负载运动,本申请实施例对终端设备的具体类型不作任何限制。机器人具体可以是服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人等,本申请实施例对机器人的具体类型不作任何限制。根据终端设备类型的不同,负载的类型也不相同,例如,终端设备为机器人时,负载可以是机器人的可运动关节。

如图1所示,本申请实施例提供的力矩控制方法,包括如下步骤s101至s105:

步骤s101、建立串联弹性驱动器的标称动力学模型。

在应用中,串联弹性驱动器包括电机和弹性元件,由于串联弹性驱动器的弹性元件将电机与负载解耦,因此,串联弹性驱动器的标称动力学模型由电机的动力学模型和负载的动力学模型两部分组成。

在一个实施例中,步骤s101包括:

根据电机的动力学模型和负载的动力学模型,建立串联弹性驱动器的标称动力学模型。

在一个实施例中,所述电机的动力学模型的表达式为:

其中,jm表示所述电机的转动惯量,θm表示所述电机的转动角度,bm表示所述电机的阻尼项,ks表示弹性元件的刚度,θl表示所述负载的转动角度,τdm表示所述电机的不确定因素,τm表示所述电机的输出力矩。

在应用中,电机的输出力矩与电机输入的电流的关系为τm=βi,β为电机的等效力矩系数,电机的不确定因素包括库伦摩擦、电机的动力学模型的误差等。

在一个实施例中,所述负载的动力学模型的表达式为:

其中,jl表示所述负载的转动惯量,bl表示所述负载的阻尼项,τext表示所述负载受到的来自外界环境的力矩。

在一个实施例中,所述标称动力学模型的表达式为:

τs(s)=ksδθ

δθ=θm-θl

其中,pn(s)表示所述标称动力学模型,i(s)表示所述电机输入的电流值,τs(s)表示所述串联弹性驱动器的输出力矩,β表示所述电机的等效力矩系数,s表示拉普拉斯变换中的复数变量,δθ表示所述弹性元件的形变量。

在应用中,τs(s)=ksδθ为弹性元件产生的弹性力矩,也即串联弹性驱动器的输出力矩。考虑理想情况,忽略电机的扰动量τdm(也即电机的不确定因素)与负载所受外力τext,当负载固定时,由电机的动力学模型和负载的动力学模型可得以电流为串联弹性驱动器的输入、弹性力矩为串联弹性驱动器的输出的串联弹性驱动器的系统开环传递函数pn(s)(也即标称动力学模型)。用于计算得到标称动力学模型的各项参数均可通过电机手册或者参数辨识算法辨识得到,属于已知参数。

步骤s102、通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩,获得实时扰动量。

如图2所示,示例性的示出了扰动观测器的数学模型的示意图;其中,cff为前馈滤波器,τref为期望输出力矩,pd表示比例微分控制器(proportional-differential,pd),i表示电机输入的电流值,d为系统受到的扰动,p为系统的实际动力学模型,sea为串联弹性驱动器,pn为标称动力学模型,pn-1为标称动力学模型的逆模型,q为低通滤波器,dob表示扰动观测器(disturbanceobserver,dob),τs表示串联弹性驱动器的输出力矩。

在应用中,由于标称动力学模型的逆模型pn-1在物理上不可实现,因此,需要引入了一个低通滤波器q,该低通滤波器具体可以是二阶巴特沃斯(butterworth)滤波器。

在一个实施例中,步骤s102包括:

通过标称动力学模型建立低通滤波器的滤波器模型;

通过扰动观测器根据所述标称动力学模型获得所述标称动力学模型的逆模型;

根据所述标称动力学模型的逆模型、当前时刻电机输入的电流值、当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩和所述滤波器模型,获得实时扰动量。

在一个实施例中,所述滤波器模型的表达式为:

其中,q(s)表示所述滤波器模型,s表示拉普拉斯变换中的复数变量,ωq表示所述低通滤波器的截止频率。

在应用中,滤波器模型q(s)即为图2所示的低通滤波器q的等效数学模型。低通滤波器的截止频率ωq的取值应大于串联弹性驱动器的力控带宽的上限值,同时避免取值过高以尽可能过滤高频噪声,从而消除高频噪声的影响,也即,截止频率应当大于串联弹性驱动器的力控带宽的上限值且小于高频噪声的频率。

在一个实施例中,所述实时扰动量的表达式为:

其中,表示的所述扰动量,q(s)表示所述滤波器模型,i0(s)表示当前时刻所述电机输入的电流值,表示所述标称动力学模型的逆模型,表示当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩。

在应用中,串联弹性驱动器的输出力矩τs可通过已标定的弹性元件的刚度ks以及检测得到的弹性元件的形变量δθ得到,根据图2,结合当前时刻电机输入的电流值i和当前时刻串联弹性驱动器的输出力矩τs,可得实时扰动量的估计值

在应用中,把实时扰动量估计值补偿至串联弹性驱动器的输入端,等效的串联弹性驱动器的输出力矩τs(s)可表示为:

当实时扰动量估计值的频率低于低通滤波器q(s)的截止频率时,q(s)=1,则上式可简化为:

τs(s)=pn(s)i(s)

即串联弹性驱动器的模型由实际动力学模型p(s)调整为标称动力学模型pn(s),隔绝了扰动量d(s)的影响。

步骤s103、通过前馈补偿器根据所述标称动力学模型和所述电机的转动惯量的缩放系数,获得前馈动力学模型。

在应用中,为提升串联弹性驱动器的动态性能,引入了一个基于标称动力学模型的前馈补偿器,由标称动力学模型的逆模型pff-1(s)以及二阶巴特沃斯滤波器q(s)组成。与扰动观测器中的逆模型pn-1不同的是,pff-1(s)中包含一个电机的转动惯量的缩放系数α,使得用于前馈的标称动力学模型中的转动惯量为αjm。α的取值为0<α<1,可根据实际需要设置,将α引入的目的是减小标称动力学模型前馈造成的过补偿,同时抑制弹性元件带来的共振现象。

在一个实施例中,所述前馈动力学模型的表达式为:

其中,pff(s)表示所述前馈动力学模型,α表示所述电机的转动惯量的缩放系数,β表示所述电机的等效力矩系数,ks表示弹性元件的刚度,jm表示所述电机的转动惯量,s表示拉普拉斯变换中的复数变量,bm表示所述电机的阻尼项。

步骤s104、根据所述前馈动力学模型和所述串联弹性驱动器的期望输出力矩,获得前馈补偿量。

在一个实施例中,步骤s104包括:

根据所述前馈动力学模型、所述串联弹性驱动器的期望输出力矩和所述滤波器模型,获得前馈补偿量。

在一个实施例中,所述前馈补偿量的表达式为:

其中,cff(s)表示所述前馈补偿量,表示所述前馈动力学模型的逆模型,q(s)表示所述滤波器模型,τref(s)表示所述串联弹性驱动器的期望输出力矩。

步骤s105、根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值,获得期望电流值并输出至所述电机。

在应用中,在串联弹性驱动器的力矩控制中,需要合适的反馈控制器使闭环系统稳定,可以采用如图2所示的比例微分控制器。理想电流值即为通过比例微分控制器计算得出的用于输出至电机的电流值。

在一个实施例中,所述理想电流值的表达式为:

其中,ipd(s)表示所述理想电流值,kp表示所述比例微分控制器中比例环节的系数,τref(s)表示所述串联弹性驱动器的期望输出力矩,表示当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩,kp表示所述比例微分控制器中微分环节的系数,τref′(s)表示所述串联弹性驱动器的期望输出力矩的导数,表示当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩的倒数。

在一个实施例中,所述期望电流值的表达式为:

其中,i1(s)表示所述电机的期望电流值,表示所述实时扰动量,cff(s)表示所述前馈补偿量,ipd(s)表示所述理想电流值。

本申请实施例提供的力矩控制方法,通过采用比例微分控制器,可以使串联弹性驱动器的闭环系统稳定;由于串联弹性驱动器系统中会受到摩擦力以及外部扰动的影响,通过采用扰动观测器使串联弹性驱动器标称化,可以实现扰动量的观测和补偿;为了提升串联弹性驱动器系统的动态性能,通过采用基于标称动力学模型的前馈补偿器,并且为避免标称动力学模型前馈的过补偿,在前馈项中引入了等效转动惯量的缩放系数;由比例微分控制器、扰动观测器和前馈补偿器三部分组成的控制系统,不仅可以提高终端设备的动态响应性能,又可以确保控制精度和对外界扰动的鲁棒性,且扰动观测器和前馈补偿器皆位于终端设备的控制架构的内环,使得外环的控制算法可在其基础上实现更加良好的控制效果。

本申请实施例还提供一种力矩控制装置,用于执行上述力矩控制方法实施例中的步骤。力矩控制装置可以是终端设备中的虚拟装置(virtualappliance),由终端设备的处理器运行,也可以是终端设备本身。

如图3所示,本申请实施例提供的力矩控制装置,包括:

模型建立单元101,用于建立串联弹性驱动器的标称动力学模型;

扰动观测单元102,用于通过扰动观测器根据所述标称动力学模型、当前时刻电机输入的电流值和当前时刻所述串联弹性驱动器的输出力矩,获得实时扰动量;

前馈补偿单元103,用于通过前馈补偿器根据所述标称动力学模型和所述电机的转动惯量的缩放系数,获得前馈动力学模型;根据所述前馈动力学模型和所述串联弹性驱动器的期望输出力矩,获得前馈补偿量;

比例微分单元104,用于根据所述实时扰动量、所述前馈补偿量和通过比例微分控制器获得的理想电流值,获得期望电流值并输出至所述电机。

在应用中,力矩控制装置中的各单元可以为软件程序单元,也可以通过处理器中集成的不同逻辑电路实现,还可以通过多个分布式处理器实现。

如图4所示,本申请实施例还提供一种终端设备200,包括:至少一个处理器201(图4中仅示出一个处理器)、存储器202以及存储在存储器202中并可在至少一个处理器201上运行的计算机程序203,还包括串联弹性驱动器204和负载205,处理器201执行计算机程序203时实现上述各个力矩控制方法实施例中的步骤。

在应用中,终端设备可包括,但不仅限于,存储器、处理器、串联弹性驱动器和负载。本领域技术人员可以理解,图4仅仅是终端设备的举例,并不构成对终端设备的限定,可以包括比图示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件,例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。

在应用中,处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit,cpu),该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor,dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit,asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray,fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

在应用中,存储器在一些实施例中可以是终端设备的内部存储单元,例如终端设备的硬盘或内存。存储器在另一些实施例中也可以是终端设备的外部存储设备,例如终端设备上配备的插接式硬盘,智能存储卡(smartmediacard,smc),安全数字(securedigital,sd)卡,闪存卡(flashcard)等。进一步地,存储器还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(bootloader)、数据以及其他程序等,例如计算机程序的程序代码等。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

需要说明的是,上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容,由于与本申请方法实施例基于同一构思,其具体功能及带来的技术效果,具体可参见方法实施例部分,此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,仅以上述各功能单元的划分进行举例说明,实际应用中,可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成,即将装置的内部结构划分成不同的功能单元,以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中,上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。另外,各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分,并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。

本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例的力矩控制方法。

本申请实施例提供了一种计算机程序产品,当计算机程序产品在终端设备上运行时,使得终端设备执行上述任一实施例的力矩控制方法。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程,可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中,该计算机程序在被处理器执行时,可实现上述各个方法实施例的步骤。其中,计算机程序包括计算机程序代码,计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质至少可以包括:能够将计算机程序代码携带到终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(rom,read-onlymemory)、随机存取存储器(ram,randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如u盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。

在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述或记载的部分,可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中,应该理解到,所揭露的装置、终端设备和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置、终端设备实施例仅仅是示意性的,例如,单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通讯连接,可以是电性,机械或其它的形式。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围,均应包含在本申请的保护范围之内。

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