基于外力矩观测器的机器人碰撞检测

碰撞检测技术可以降低设备损坏和人身伤害的几率,在现代化的人机协作生产中起着重要的作用。实现免外力矩传感器的碰撞检测需要准确地估计工业机器人受到碰撞时的关节外力矩。然而,动力学模型的参数辨识误差以及电机电流的测量误差等因素会影响外力矩估计的准确性。为了解决这些问题,本文设计了一种扰动卡尔曼滤波外力矩观测器。该观测器基于扰动原理将外部碰撞等效的外力矩作为扰动项,并定义关节扰动模型。同时,引入机器人的广义动量构建状态空间方程。考虑到动力学模型的参数辨识以及电机电流的测量存在误差,基于卡尔曼滤波算法进行迭代估计,从而得到最优的外力矩观测值。为了提高碰撞检测的灵敏度,本文提出了一种随关节速度变化的时变对称阈值函数,用于实现碰撞检测。该方法可以根据关节速度的变化调整阈值,以适应不同工作速度下的外力矩观测值。实验结果表明,与广义动量观测器相比,所提出的观测器在外力矩估计的整体精度上提高了52.03%。为了验证所提方法的有效性,本文利用6自由度串联关节型工业机器人进行了碰撞检测实验。实验结果显示,相比于静态阈值,采用时变阈值的方法缩短了58.06%的检测延时,从而可以提高碰撞检测的灵敏度,更有利于工业机器人的安全操作和碰撞防护。

基于扰动力矩观测器的大口径望远镜低速控制

为了增强大口径望远镜跟踪架伺服控制系统的抗扰动性能,提高其低速跟踪精度,提出了基于扰动力矩观测器的力矩补偿方法。该方法采用改进的加减速法控制转台的加减速时间,使得望远镜转台微震;通过测量电机的速度和电流响应曲线,辨识获得望远镜转台的转动惯量。然后,设计了望远镜转台的加速度估计器,根据编码器位置反馈数据,采用双积分和PD控制的方法,估计出当前系统的加速度。最后,基于转动惯量辨识和加速度估计,设计了扰动力矩观测器,根据电机的电流和转台的加速度,计算出外部的扰动力矩,并将扰动前馈补偿到电流控制器的输入端,以修正电流输入参考值。在2m望远镜控制系统中对扰动观测器的性能进行了实验验证,结果表明,加入扰动力矩观测器补偿后,在跟踪斜率为0.36(″)/s的位置斜坡时,跟踪误差值(RMS)由0.012 7″减小到0.007 3″;相比未加入扰动力矩观测器的补偿方法,望远镜的低速跟踪抖动明显减小,提高了伺服系统的低速跟踪精度,实现了对目标的平滑、稳定跟踪。

基于卷积力矩观测器与摩擦补偿的机器人碰撞检测

针对常规工业机器人在未知环境下运行时可能产生碰撞的安全性问题,提出一种新型的机器人碰撞检测算法.设计卷积力矩观测器,通过实时观测关节输出力矩与动力学估计力矩的偏差实现机器人碰撞检测.为了避免机器人处于不同位姿、运动状态等情况下关节摩擦对机器人碰撞检测的干扰,采用静态LuGre模型对关节摩擦进行补偿.通过对实际工业机器人的运动监测,辨识出更加准确的静态LuGre模型参数.该碰撞检测算法无需加速度信息,避免了对位置反馈信息二次求导所带来的计算误差.关节力矩基于关节伺服驱动的电流信息获取,无需安装专门的力/力矩传感器,从而在常规工业机器人无需额外配置的情况下,只需采集机器人关节驱动电机电流和位置信息即可实现碰撞检测.通过人与机器人交互实验验证了该碰撞检测算法的有效性.

基于MATLAB/SIMULINK的直流双闭环调速系统的两种负载力矩观测器观测结果的对比

介绍了按电机模型(运动方程)推导和用PI自适应两种方法设计的负载力矩观测器,并用Matlab/Simulink进行仿真和结果对比。研究了观测器参数与实际参数有误差时对观测器性能的影响。并比对了带前馈补偿的双闭环调速系统中速度调节器采用不同控制规律时的控制效果。

基于力矩观测器的导引头陀螺转子方位效应补偿方法

在红外导引头制导系统设计中,陀螺的方位效应将引起大偏角下控制力矩的衰减,对导引头的跟踪精度和工作范围有重要影响。为实现对陀螺进动控制力矩的补偿,建立陀螺动力学模型和大偏角情况下位标器的力矩器模型。参照干扰观测器DOB的设计方法,将陀螺的俯仰信号引入陀螺和力矩器的标称逆模型,设计实用的陀螺力矩观测器对进动力矩进行补偿。对鲁棒稳定性的小增益条件、补偿效果和补偿器引入相移大小的综合权衡,确定了陀螺力矩观测器的滤波器形式和时间常数。数学仿真结果表明,系统进动力矩在引入力矩观测器后得到了有效补偿,跟踪精度和响应速度得到显著的提高。

基于动量观测器的机械臂碰撞检测与隔离

机械臂在复杂空间规划运动过程中,难免与周围环境及工作人员发生碰撞,因此需要快速可靠地检测机械臂与外界发生的碰撞,并使机械臂做出安全的反应。文中建立了机械臂动力学模型,结合广义动量设计了一种力矩观测器,考虑动力学模型误差、速度引起噪声误差等设定了动态阈值,通过比较观测值与动态阈值,实现机械臂实时碰撞检测。利用观测值将由位置、速度跟踪的控制律改变为基于观测值的力矩控制律,进而隔离碰撞。以2自由度机械臂为例,采用ADAMS分析了其动力学并结合MATLAB对所设计动量观测器进行了仿真,与传统观测器观测值进行比较,验证了所设计的动量观测器可快速准确地检测碰撞。

一种估计外力矩的机器人直接示教方法

为了解决机器人直接示教灵活性、柔顺性低和成本高等问题,提出一种估计外力矩的机器人直接示教方法。基于广义动量的力矩观测器和导纳、PD控制方案,采用辨识得到的连杆重力与关节摩擦力模型,实现无力矩传感器的机器人直接示教。首先,对机器人关节进行实时的重力和摩擦力力矩补偿;然后,通过基于广义动量的力矩观测器,观测操作者拖动机器人运动的外力矩;最后,利用导纳控制,将观测的外力矩转换成关节期望运动轨迹,通过PD控制,将期望运动轨迹转化为补偿给关节的估计外力矩,从而实现机器人的直接示教。实验结果验证了该方法的有效性。研究结果可为无力矩传感器的机器人直接示教方案设计提供指导。

关于异步电机直接力矩控制的研究

直接力矩控制是交流调速中一种新颖、有效的控制方法。首先介绍了异步电机的数学模型 ,在此基础上对直接力矩控制进行了理论分析 ,并介绍其磁通、力矩控制方法 ,给出磁通观测器和力矩观测器 。

一种轻型模块化协作机器人碰撞检测算法

为了实现人与协作机器人的安全协作,提出了一种不增加额外传感器和改变控制系统复杂性的碰撞检测算法.基于动力学模型和动量偏差构造了一个2阶外力矩观测器以实现对关节外力矩实际值的观测,并对观测值进行滤波处理,减小系统采样噪声对观测值的影响.考虑到关节外力矩包含外部碰撞力等效作用在关节上的力矩和谐波减速器产生的关节摩擦力矩,采用Stribeck摩擦模型对观测值中的关节摩擦力矩部分进行辨识,使观测值只受外部碰撞力影响.最后,基于一类轻型模块化协作机器人对该算法进行了仿真与实验,结果表明:观测值能够实时跟随外力矩变化,机器人正常运行时其保持在预设的阈值范围内,发生碰撞时发生突变超出阈值,从而验证了该算法的正确性.

机器人带未知负载条件下的碰撞检测算法

未知负载会增大机器人模型误差,对碰撞检测产生严重干扰,甚至导致算法失效.为此,本文提出了一种适用于机器人带负载工作情况的碰撞检测算法.首先,基于机器人广义动量设计具有带通滤波特性的新型力矩观测器,通过对机器人动力学频域特性进行分析,得到机器人动力学模型与关节运行速度对应的最大频率阈值,确定带通力矩观测器的参数.然后,利用带通力矩观测器对关节力矩信号进行滤波,提高碰撞检测算法对机器人模型误差的容忍度.最后,通过人与机器人交互实验进一步验证了该碰撞检测算法的有效性.实验结果表明,该算法与已有的算法相比具有更好的鲁棒性,可满足机器人带未知负载0~2 kg的工作需求.