(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 202211036539.3 (22)申请日 2022.08.29 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫 200号 (72)发明人 余朝宝　李建平　高鼎峰　周宇航　 戴豪杰　郭毓　周慧　詹腾达　 许铭轩　 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 专利代理师 王安 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下 轴向力控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于主被动柔顺结合的 大刚度环 境下轴向力控制方法， 首先在机械臂末 端和末端执行器 之间设置被动柔顺装置， 并构建 被动柔顺装置的物理模型以及确定模 型参数， 之 后基于主动柔顺控制模型的期望轨迹结合被动 柔顺装置确定的位移补偿量， 实现基于主被动柔 顺的大刚度环 境下的机械臂轴向力控制。 本发明 的方法通过被动柔顺部件的引入， 解决了传统导 纳控制面对大刚度环境系统易发生不稳定的问 题， 实现了机械臂在大刚度环 境下作业柔顺性和 精确性的统一， 在根本上解决了导纳控制只适用 于小刚度环 境下的局限性， 与环 境参数估计方法 结合可以解决未知时变环境下的精确力控制问 题， 具有良好的应用前 景以及价 值。 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 CN 115319749 A 2022.11.11 CN 115319749 A 1.一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 步骤1、 在机 械臂末端和末端执 行器之间设置被动柔 顺装置； 步骤2、 构建被动柔 顺装置的物理模型， 并确定模型参数； 步骤3、 确定机械臂末端执行器的末端期望轨迹， 即机械臂末端执行器的末端主动柔顺 控制模型； 步骤4、 基于步骤3的主动柔顺控制模型以及步骤2中的物理模型对机械臂指令位置进 行位移补偿， 实现基于主被动柔 顺的大刚度环境下的机 械臂轴向力控制。 2.根据权利要求1所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法， 其特 征在于， 所述 步骤1中的被动柔 顺装置为： 所述被动 柔顺装置包括： 分别与机械臂末端的六维力传感器以及末端执行器相连接的 被动柔顺部件， 两侧部件之间设置弹性部件以及阻尼部件。 3.根据权利要求2所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法， 其特 征在于， 所述 步骤2中的构建被动柔 顺装置的物理模型及其 参数， 具体为： 步骤2‑1、 构建被动柔 顺装置的物理模型； 步骤2‑2、 根据辨识实验确定物理模型的具体参数。 4.根据权利要求3所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法， 其特 征在于， 所述 步骤2‑1中的构建被动柔 顺装置的物理模型， 具体为： 其中， F1为机械臂末端的力传感器的轴向数据， F2为末端执行器与大刚度环境之间的轴 向接触力， Xc为机械臂末端的实际位置， L为未与大刚度环境接触前， 被动柔顺装置与末端 执行器的原长， X是末端执行器的实际位置， ΔX＝Xc+L‑X为被动柔顺装置与大刚度环境接 触后的压缩量， k为被动柔顺装置内的弹性部件的弹性参数， b为被动柔顺装置的阻尼参数， m1表示与机械臂末端固连一侧的被动柔顺部件的质量， m2为与末端执行器一侧连接的被动 柔顺部件和末端执 行器的总质量。 5.根据权利要求4所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法， 其特 征在于， 所述 步骤2‑2中的确定物理模型的具体参数， 具体为： 步骤2‑2‑1、 将末端执行器贴住大刚度环境， 但不产生挤压， 记录此时的机械臂末端 的 位置Xco； 步骤2‑2‑2、 机械臂末端缓慢挤压被动柔顺部件ΔX， 待六维力传感器示数稳定后， 测量 此时的力传感器沿轴向的数据， 并多次测量取平均值Fα； 步骤2‑2‑3、 机械臂末端以单位速度压缩被动柔顺部件， 测量压缩ΔX时的六维力传感 器沿轴向的数据， 并多次测量取平均值Fβ； 步骤2‑2‑4、 使机械臂末端以以下轨迹方程运动， 并测量量 时刻的六维力传感器 沿轴向的数据， 多次测量取平均值Fγ：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115319749 A 2X＝Xe‑L+A+A sint 其中， Xe表示环境 位置， A表示振动幅度； 步骤2‑2‑5、 确定物理模型的弹性 参数、 阻尼参数和惯性 参数： 6.根据权利要求2所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法， 其特 征在于， 所述 步骤3中的期望 轨迹， 具体为： 其中， xr是参考位置,xe是环境位置,fd是参考接触力,ke是环境刚度。 7.根据权利要求2所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法， 其特 征在于， 所述 步骤4中的结合主被动柔 顺实现机 械臂末端的轴向力控制， 具体为： 步骤4‑1、 根据机械臂末端的实 时位置Xc以及力传感器轴向数据F1， 利用步骤2的物理模 型， 得到被动柔 顺装置的轴向压缩量ΔX， 从而确定补偿量： 补偿量＝L‑ΔX 其中， L为未与大刚度环境接触前， 被动柔 顺装置与末端执 行器的总原长； 步骤4‑2、 基于步骤3的期望轨迹方程得到期望轨迹， 并将期望轨迹减去补偿量L ‑ΔX， 得到机械臂末端的实时指 令轨迹， 完成基于主被动柔顺的大刚度 环境下的机械臂轴向力控 制。 8.一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制系统， 其特征在于， 包括以下 模块： 被动柔顺装置设置模块： 用于在机 械臂末端和末端执 行器之间设置被动柔 顺装置； 被动柔顺模型构建模块： 用于构建被动柔 顺装置的物理模型， 并确定模型参数； 主动柔顺模型构建模块： 用于确定机械臂末端执行器的末端期望轨迹， 即机械臂末端 执行器的末端 主动柔顺控制模型； 主被动柔顺控制模块： 用于基于主动 柔顺控制模型以及被动 柔顺模型构建模块中的物 理模型对机械臂指 令位置进行位移补偿， 实现基于主被动柔顺的大刚度 环境下的机械臂轴 向力控制。 9.一种计算机设备， 包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计 算机程序， 其特征在于， 所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求 1‑7中任一项 所述 方法的步骤。 10.一种计算机可存储介质， 其上存储有计算机程序， 其特征在于， 所述计算机程序被 处理器执行时实现权利要求1 ‑7项所述的方法的步骤。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115319749 A 3