(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210572595.2 (22)申请日 2022.05.25 (71)申请人 华东交通大 学 地址 330000 江西省南昌市经济技 术开发 区双港东大街808号 华东交通大 学 (72)发明人 丁孺琦　孙明楷　李刚　胡国良　 (74)专利代理 机构 北京恒泰铭睿知识产权代理 有限公司 1 1642 专利代理师 苏天功 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 13/08(2006.01) (54)发明名称 无末端力传感器的液压机械臂接触作业自 适应阻抗控制系统 (57)摘要 本发明公开了无末端力传感器的液压机械 臂接触作业自适应阻抗控制系统， 控制系统包括 两个环路： 内环采用基于模型的控制器 （MBC） ， 补 偿液压机械臂非线性动力学特性， 实现末端精确 的位置跟踪； 外环包括一个基于位置的阻抗控制 器， 以及在此基础上增加的基于模 型参考自适应 控制的力误差补偿器， 实现自适应未知环境变化 的主动柔 顺与高精度力跟踪 控制。 权利要求书6页 说明书13页 附图6页 CN 114800522 A 2022.07.29 CN 114800522 A 1.无末端力传感器的液压机械臂接触作业自适应阻抗控制系统， 其特征在于， 包括内 环， 外环两个环路： 内环为基于模 型的控制器 （MBC） ， 外环 为由阻抗控制器、 力误差自适应补 偿器组成的外环阻抗控制器构成。 2.根据权利要求2所述的无末端力传感器的液压机械臂接触作业自适应阻抗控制系 统， 其特征在于， 前述基于模型的控制器 （MBC） 包括： 液压缸位置反馈控制器、 力控制器、 位 置控制器以及前馈流 量补偿器， 所述 位置控制器输出为液压缸的力偏差补偿。 3.根据权利要求2所述的无末端力传感器的液压机械臂接触作业自适应阻抗控制系 统， 其特征在于， 力控制器的输入为各个 关节期望驱动力， 关节期 望驱动力包括前馈期 望驱 动力和位置控制器输出两 部分。 4.根据权利要求3所述的无末端力传感器的液压机械臂接触作业自适应阻抗控制系 统， 其特征在于， 所述前馈期望驱动力首先由逆运动学求解出期望 关节角度， 继而通过逆动 力学方程得到 关节期望驱动力矩， 再利用机械臂关节几何关系可求出各个关节前馈期 望驱 动力。 5.根据权利要求1所述的无末端力传感器的液压机械臂接触作业自适应阻抗控制系 统， 其特征在于， 内环基于模型 的控制器输出 由力控制器输与前馈流量补偿器输出信号叠 加组成。 6.根据权利要求1所述的无末端力传感器的液压机械臂接触作业自适应阻抗控制系 统， 其特征在于， 所述外环阻抗控制器主要由两部 分组成： 传统基于位置的阻抗控制器和力 误差自适应补偿 器； 基于位置的阻抗控制器将 机械臂与环境的交互建立为 典型的“弹簧‑质 量‑阻尼”系统， 根据末端接触力与期望值误差计算施加于预设轨迹位置  Xr 的变化值 △ X1； 力误差自适应补偿器根据实际系统与参考模型的力跟踪误差以及误差的变化率， 构建 系统观测方程及其李 雅普诺夫函数； 基于此， 输出另一预设轨迹修正值 △X2， 使得阻抗控制 能够适应未知环境变化， 前述的末端接触力采用基于无末端力 传感器反馈的液压机械臂末 端力软测量方法计算获得。 7.根据权利要求1所述的无末端力传感器的液压机械臂接触作业自适应阻抗控制系 统， 其特征在于， 内环基于模型的控制器 （MBC） 控制器具体实现步骤如下： 步骤1， 对液压缸的长度偏差进行位置反馈控制； 通过位置控制器对液压缸造成的力偏 差进行补偿； 所述位置控制器方程表达式如下：                                       （1） 其中， 和 为正对角矩阵， 分别包含液压缸的比例 和微分控制 增益， 和 分别 为液压缸的期望 长度与实际长度； 步骤2， 计算关节期望驱动力， 并对液压缸输出力偏差进行力反馈控制； 关节期望驱动 力包括前馈期望驱动力和位置控制 器输出两部分， 其中， 所述前馈期望驱动力首先 由逆运 动学求解出期望关节角度， 继而通过逆动力学方程得到关节期望驱动力矩， 再利用机械臂 关节几何关系可求出各个关节前馈期 望驱动力， 输入到力控制器用于补偿液压机械臂动力 学中的惯性力、 摩擦力和重力等动态力， 位置控制器输出则用于补偿力偏差， 实际输出力由权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 114800522 A 2液压机械臂压力传感器测得 液压缸两端的压力计算得到； 力控制器方程在表达式如下：              （2） 其中， 和 分别为比例、 积分和微分增益， 且大于零； 和 分别为液压 缸期望力和实际受力， 和 达式如下：                   （3）                 （4） pa， pb为液压缸无杆腔和 有杆腔压力， 可由压力传感器测得， Aa，Ab为液压缸无杆腔和有 杆腔面积， 式 中， 为动力学 方程所求出的期望驱动力， 表示为：             （5） 其中， ， 为液压缸力臂， 为关节驱动力矩， 表示 为：            （6） 其中， 为对称惯性矩阵； 为离心力和科氏力矩阵； 为重力向 量； 为摩擦力向量； 步骤3， 根据液压机械臂所需的运动， 求出运动过程中所需要的流量， 并通过流量与阀 控制信号映射关系， 获得伺服阀的前馈控制信号； 首先， 流入和流出液压缸的阀控流量 和 通过以下非线性方程表达：          (7) 其中， 为阀的控制信号， 和 为阀口通道流量系数， 和 为无杆腔和有杆腔压力， 和 为系统压力和油箱压力， 符号 函数 被定义为：                                 (8) 进一步地， 忽略内泄漏特性， 液压缸流 量连续性方程为：                                         (9)权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 114800522 A 3