CN117415856B - 一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，属于机器人技术领域，包括以下步骤：S1、计算液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；S2、计算液压缸活塞杆产生的惯性力；S3、计算液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量；S4、读取液压缸筒后端安装的力传感器测量读数；S5、求解液压缸的实际输出力。本发明采用上述的一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，可以实现直线液压驱动机构输出力的高精度检测。

Description

一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法。

背景技术

由于直线液压驱动机构具有功重比高、结构紧凑等优点，因此大载荷仿生机器人、作业机械臂等系统的关节多采用直线液压驱动机构作为动力执行单元。机器人的直线液压驱动机构一般包括液压缸、液压阀、液压缸与机器人本体的连接件、测量传感器等。其中液压阀用来控制液压缸活塞杆的伸出或缩回运动，进而控制机器人关节的运动。

在机器人控制中，需要利用各个关节的角位移、驱动力矩等信息进行运动学与动力学的解算。一般可根据机器人关节的几何关系及结构尺寸，通过直线液压驱动机构的位移解算出机器人关节角位移、通过直线液压驱动机构的输出力解算出机器人关节驱动力矩。对于直线液压驱动机构的位移测量，一般通过在液压缸上安装内置或外置的位移传感器即可，相关实现手段比较成熟。

但是，现有技术存在以下缺点：

(1)在液压缸的两腔分别安装压力传感器，分别测量液压缸两腔的油液压力，进而根据液压缸活塞的面积计算出活塞的受力，将此结果作为直线液压驱动机构的输出力。该方法的缺点是液压缸两腔的压力存在较大的波动，另外该方法忽略了液压缸活塞和液压缸缸筒之间的摩擦力。所以计算出的输出结果波动较大，且准确性欠佳。

(2)在液压缸活塞杆端安装力传感器，这种方式测量直接、结果准确可靠，但是存在的问题是力传感器安装在液压缸活塞杆上，而机器人运动时，液压缸活塞杆需要往复伸出或缩回运动，导致力传感器上的信号线也要随之运动，给机器人的结构设计带来困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，通过测量解算直线液压驱动机构自身的重力作用到传感器上的分量、估计活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力、计算液压缸活塞杆的惯性力，最终得到准确的液压缸活塞杆受力，可以实现直线液压驱动机构输出力的高精度检测。

为实现上述目的，本发明提供了一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，包括以下步骤：

S1、计算液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；

S2、计算液压缸活塞杆产生的惯性力；

S3、计算液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量；

S4、读取液压缸筒后端安装的力传感器测量读数；

S5、通过式(1)求解液压缸的实际输出力；

F_l＝F_s-F_f-F_a-F_g (1)

其中，F_l为液压缸的实际输出力；F_s为液压缸筒后端安装的力传感器测量的数值；F_f为液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；F_a为液压缸运动部件产生的惯性力；F_g为液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量。

优选的，步骤S1中，计算液压缸活塞与缸筒之间摩擦力与阻尼力，具体为：设计直线运动机构校准装置，令直线运动机构校准装置水平放置，确保液压缸筒及液压缸活塞杆的重力作用在液压缸筒后端力传感器的分量为零，并控制液压缸活塞杆进行匀速运动，此时F_a和F_g均为零，式(1)简化为：

F_l＝F_s-F_f' (2)

在式(2)中，直线液压驱动机构的实际输出力F_l由安装在液压缸活塞杆上的校准力传感器测量得到，F_s由安装在液压缸筒后端的力传感器测量得到；F_f'为未平滑处理前的液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；

F_f'与液压缸活塞杆速度v的函数关系为：

F_f'＝f(v) (3)

采用拉格朗日插值法，选取液压缸活塞杆n个不同速度下的力传感器数值F_j作为已知点，检测F_f'的大小，即液压缸活塞杆速度v₀，v₁…，v_n-1处的函数值为F₀'，F₁'，……F_n-1'，构造拟合出F_f'与液压缸活塞杆速度v的多项式函数：

其中，j＝{0,1，……，n-1}为已知的数据点的序号；为拉格朗日基函数，B_j＝{i|i≠j,i∈D_n}，Dn＝{0,1，……，n-1}；

然后，采用微分计算方法对液压缸活塞杆速度v进行平滑处理，得到平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'，将平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'代入公式(4)中，得到最终的F_f与平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'的多项式函数：

优选的，步骤S2中，液压缸活塞杆在加减速运动中会产生惯性力作用到液压缸筒后端的力传感器上，对于某一确定的直线液压执行机构，液压缸活塞杆的质量是固定不变的，只需测算出液压缸活塞杆的加速度，然后由牛顿第二定律得到液压缸活塞杆的惯性力F_a'：

F_a'＝ma' (6)

其中，m为液压缸活塞杆的质量且已知，a'为该时间点上所得到的液压缸活塞杆的加速度。

优选的，液压缸活塞杆加速度的计算通过位移传感器检测到的数据进行两次微分计算得到，第一次微分计算是对位移进行微分得到速度，第二次微分计算是对速度进行微分得到加速度；然后通过微分计算方法对液压缸活塞杆加速度a'进行平滑处理，得到平滑处理后的液压缸活塞杆加速度a，将平滑处理后的液压缸活塞杆加速度a带入公式(6)得到液压缸活塞杆的惯性力F_a：

F_a＝ma (7)。

优选的，位移传感器设置在液压缸活塞杆内部，位移传感器启动之后可以记录物体在不同时间点的位移数据。

优选的，步骤S3中，在机器人关节中，直线液压驱动机构与机器人机体构成三角形，此三角形中，与直线液压驱动机构相连的两个边长L₁和L₂是固定不变的，直线液压驱动机构所在的边长L₃的长度为直线液压驱动机构初始长度与液压缸活塞杆位移之和；

根据余弦定理与反三角函数解算出直线液压驱动机构轴线与垂直方向之间的夹角A的大小，计算公式如下：

其中，L₂为夹角A所对应的边长；

计算出液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量为：

F_g＝G×cos(A) (9)

其中，G为液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力。

优选的，直线运动机构校准装置包括第一连接件，第一连接件的一侧设置有力传感器，力传感器的另一侧设置有液压缸，液压缸的上侧设置有液压阀，液压缸的另一侧设置有液压缸活塞杆，液压缸活塞杆上套设有校准力传感器，校准力传感器远离液压缸的一端设置有第二连接件

因此，本发明采用上述一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，将力传感器安装在直线液压驱动机构壳体的后端，而不是液压缸活塞杆上，传感器的电缆线不必随着执行机构的运动而大幅度的伸缩，有利于机器人结构设计的优化，且采用本发明所提方法，可以准确的获得执行机构的输出力。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的直线液压驱动机构输出力测量方式图；

图2为本发明的直线液压驱动机构内部结构图；

图3为力传感器校准装置图；

图4为直线液压驱动机构驱动的串联机器人关节示意图。

附图标记

1、第一连接件；2、力传感器；3、液压阀；4、液压缸；5、液压缸活塞杆；6、第二连接件；7、活塞；8、校准力传感器。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

如图1所示，为本发明提出的测量方法，即力传感器安装在液压缸筒的后端。

在如图4所示的机器人关节中，以关节1为例，液压缸的实际输出力即液压缸活塞杆处输出的力可表示为：

F_l＝F_s-F_f-F_a-F_g (1)

其中，F_l为液压缸的实际输出力；F_s为液压缸筒后端安装的力传感器测量的数值；F_f为液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；F_a为液压缸运动部件产生的惯性力；F_g为液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量。

为了得到液压缸的实际输出力F_l，需要分别计算出F_f、F_a和F_g，其具体方法分别如下：

S1、计算液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；

S2、计算液压缸活塞杆产生的惯性力；

S3、计算液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量；

S4、读取液压缸筒后端安装的力传感器测量读数；

S5、利用式(1)求解液压缸的实际输出力。

具体的，步骤S1中，按照如图3所示的形式，设计直线运动机构校准装置，直线运动机构校准装置包括第一连接件1，第一连接件1的一侧设置有力传感器2，力传感器2的另一侧设置有液压缸4，液压缸4的上侧设置有液压阀3，液压缸4的另一侧设置有液压缸活塞杆5，液压缸活塞杆5上套设有校准力传感器8，校准力传感器8远离液压缸4的一端设置有第二连接件6，液压缸活塞杆5内部设置有位移传感器，位移传感器启动之后可以记录物体在不同时间点的位移数据。

如图2所示为直线液压驱动机构的内部结构图。液压缸活塞杆5在远离第二连接件6的一端连接有活塞7，液压缸活塞杆5和活塞7一起在液压缸4内移动。

令直线运动机构校准装置水平放置，确保液压缸筒及液压缸活塞杆的重力作用在液压缸筒后端力传感器的分量为零，并控制液压缸活塞杆进行匀速运动，此时可知F_a和F_g均为零，那么式(1)就简化为：

F_l＝F_s-F_f (2)

在式(2)中，直线液压驱动机构的实际输出力F_l由安装在液压缸活塞杆上的校准力传感器测量得到，F_s由安装在液压缸筒后端的力传感器测量得到；F_f'为未平滑处理前的液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；

F_f'与液压缸活塞杆速度v的函数关系为：

F_f'＝f(v) (3)

采用拉格朗日插值法，选取液压缸活塞杆n个不同速度下的力传感器数值点作为已知点，检测F_f'的大小，即液压缸活塞杆速度v₀，v₁…，v_n-1处的函数值为F₀'，F₁'，……F_n-1'，构造拟合出F_f'与液压缸活塞杆速度v的多项式函数：

其中，j＝{0,1，……，n-1}为已知的数据点的序号；B_j＝{i|i≠j,i∈D_n}，Dn＝{0,1，……，n-1}；

然后，采用微分计算方法对液压缸活塞杆速度v进行平滑处理，得到平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'，本实施例利用四点中心差分法：

式中，s(j)为液压缸活塞缸的运动位移，k为测量时刻，T为测量周期，为相邻四次测量位移的平均值：

将平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'代入公式(4)中，得到最终的F_f与平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'的多项式函数：

步骤S2中，液压缸活塞杆在加减速运动中会产生惯性力作用到液压缸筒后端的力传感器上，对于某一确定的直线液压执行机构，液压缸活塞杆的质量是固定不变的，只需测算出液压缸活塞杆的加速度，然后由牛顿第二定律得到液压缸活塞杆的惯性力F_a'：

F_a'＝ma' (8)

其中，m为液压缸活塞杆的质量且已知，a'为该时间点上所得到的液压缸活塞杆的加速度。

液压缸活塞杆加速度的计算通过位移传感器检测到的数据进行两次微分计算得到，第一次微分计算是对位移进行微分得到速度，第二次微分计算是对速度进行微分得到加速度；然后通过微分计算方法对液压缸活塞杆加速度a'进行平滑处理，得到平滑处理后的液压缸活塞杆加速度a，将平滑处理后的液压缸活塞杆加速度a带入公式(8)得到液压缸活塞杆的惯性力F_a：

F_a＝ma (9)。

步骤S3中，在机器人关节中，直线液压驱动机构与机器人机体构成三角形，此三角形中，与直线液压驱动机构相连的两个边长L1和L2是固定不变的，直线液压驱动机构所在的边长L3的长度为直线液压驱动机构初始长度与液压缸活塞杆位移之和；

根据余弦定理与反三角函数解算出直线液压驱动机构轴线与垂直方向之间的夹角的大小，计算公式如下：

其中，L₂为夹角A所对应的边长；

计算出液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量为：

F_g＝G×cos(A) (11)

其中，G为液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力。

实施例二

采用微分计算方法对液压缸活塞杆速度v进行平滑处理时，使用不完全差分法：

其中α为不完全差分法的滤波效果，α数值越小滤波效果越强，反之，α数值越大滤波效果越弱；T_s为数据采样时间间隔。

其余与实施例一相同。

因此，本发明采用上述一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，可以实现直线液压驱动机构输出力的高精度检测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；

S2、计算液压缸活塞杆产生的惯性力；

S3、计算液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量；

S4、读取液压缸筒后端安装的力传感器测量读数；

S5、通过式(1)求解液压缸的实际输出力；

F_l＝F_s-F_f-F_a-F_g (1)

其中，F_l为液压缸的实际输出力；F_s为液压缸筒后端安装的力传感器测量的数值；F_f为液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；F_a为液压缸运动部件产生的惯性力；F_g为液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量；

步骤S1中，计算液压缸活塞与缸筒之间摩擦力与阻尼力，具体为：设计直线运动机构校准装置，令直线运动机构校准装置水平放置，确保液压缸筒及液压缸活塞杆的重力作用在液压缸筒后端力传感器的分量为零，并控制液压缸活塞杆进行匀速运动，此时F_a和F_g均为零，式(1)简化为：

F_l＝F_s-F_f' (2)

在式(2)中，直线液压驱动机构的实际输出力F_l由安装在液压缸活塞杆上的校准力传感器测量得到，F_s由安装在液压缸筒后端的力传感器测量得到；F_f'为未平滑处理前的液压缸活塞与缸筒之间的摩擦力与阻尼力；

F_f'与液压缸活塞杆速度v的函数关系为：

F_f'＝f(v) (3)

采用拉格朗日插值法，选取液压缸活塞杆n个不同速度下的力传感器数值F_j作为已知点，检测F_f'的大小，即液压缸活塞杆速度v₀，v₁…，v_n-1处的函数值为F₀'，F₁'，……F_n-1'，构造拟合出F_f'与液压缸活塞杆速度v的多项式函数：

其中，j＝{0,1，……，n-1}为已知的数据点的序号；为拉格朗日基函数，B_j＝{i|i≠j,i∈D_n}，Dn＝{0,1，……，n-1}；

然后，采用微分计算方法对液压缸活塞杆速度v进行平滑处理，得到平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'，将平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'代入公式(4)中，得到最终的F_f与平滑处理后的液压缸活塞杆速度v'的多项式函数：

2.根据权利要求1所述的一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，其特征在于，步骤S2中，液压缸活塞杆在加减速运动中会产生惯性力作用到液压缸筒后端的力传感器上，对于某一确定的直线液压执行机构，液压缸活塞杆的质量是固定不变的，只需测算出液压缸活塞杆的加速度，然后由牛顿第二定律得到液压缸活塞杆的惯性力F_a'：

F_a'＝ma' (6)

其中，m为液压缸活塞杆的质量且已知，a'为该时间点上所得到的液压缸活塞杆的加速度。

3.根据权利要求2所述的一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，其特征在于，液压缸活塞杆加速度的计算通过位移传感器检测到的数据进行两次微分计算得到，第一次微分计算是对位移进行微分得到速度，第二次微分计算是对速度进行微分得到加速度；然后通过微分计算方法对液压缸活塞杆加速度a'进行平滑处理，得到平滑处理后的液压缸活塞杆加速度a，将平滑处理后的液压缸活塞杆加速度a带入公式(6)得到液压缸活塞杆的惯性力F_a：

F_a＝ma (7)。

4.根据权利要求3所述的一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，其特征在于，位移传感器设置在液压缸活塞杆内部，位移传感器启动之后可以记录物体在不同时间点的位移数据。

5.根据权利要求4所述的一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，其特征在于，步骤S3中，在机器人关节中，直线液压驱动机构与机器人机体构成三角形，此三角形中，与直线液压驱动机构相连的两个边长L₁和L₂是固定不变的，直线液压驱动机构所在的边长L₃的长度为直线液压驱动机构初始长度与液压缸活塞杆位移之和；

根据余弦定理与反三角函数解算出直线液压驱动机构轴线与垂直方向之间的夹角A的大小，计算公式如下：

其中，L₂为夹角A所对应的边长；

计算出液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力作用在力传感器上的分量为：

F_g＝G×cos(A) (9)

其中，G为液压缸筒及液压缸活塞杆自身重力。

6.根据权利要求5所述的一种机器人关节直线液压驱动机构输出力高精度检测方法，其特征在于，直线运动机构校准装置包括第一连接件，第一连接件的一侧设置有力传感器，力传感器的另一侧设置有液压缸，液压缸的上侧设置有液压阀，液压缸的另一侧设置有液压缸活塞杆，液压缸活塞杆上套设有校准力传感器，校准力传感器远离液压缸的一端设置有第二连接件。