提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法和系統的製作方法
2023-11-30 02:17:36
提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法和系統的製作方法
【專利摘要】提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法包括電動機轉矩計算步驟、連接件旋轉計算步驟和目標轉矩計算步驟。在電動機轉矩計算步驟中，從電動機的旋轉角速度計算電動機轉矩。在連接件旋轉計算步驟中，計算連接件的旋轉角速度。在目標轉矩計算步驟中，將電動機轉矩和連接件的旋轉角速度代入擾動觀測器中，計算出由穿戴者施加的目標轉矩的估計值。
【專利說明】提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法和系統
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請基於並要求2012年12月17日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請第10-2012-0147921號的優先權權益，其全部內容通過引用的方式合併入本文。
【技術領域】
[0003]本發明構思涉及一種提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法和系統，更具體地，涉及一種方法和系統，其使用擾動觀測器計算穿戴者的目標轉矩，並使用擴展卡爾曼濾波器計算摩擦補償。
【背景技術】
[0004]由於高負荷工作在工業領域中越來越普遍，對於能夠減少施加到人體關節上的負荷以增加工人便利性的措施的研究需求正不斷增加。根據這一需求,工人穿戴的並可移動的可穿戴機器人已經被提議作為一個措施。當前的發明構思提議一種用於提取穿戴者的目標轉矩的技術，從而使得可穿戴機器人根據穿戴者的意圖而準確地移動。[0005]在韓國未審查專利申請公開第10-2008-0079590號中公開的用於補償數控工具機中的象限切換位置(quadrant changing position)產生的躍差(stick motion)的方法和設備中，實際位置估計器估計出與位置指令信號對應的可移動體的實際位置，以產生實際位置信號。微分器區分實際位置信號，以得到速度信號。積分器對速度信號積分，從而生成來自可移動體的移動方向為相反的位置上的位移信號。絕對值計算器獲得位移信號的絕對值。摩擦特性估計器獲得摩擦力或摩擦轉矩的位移變化率。倍增器將位移的變化率乘以速度信號，並獲得時間的變化率。積分器28對時間變化率進行積分，並估算摩擦力或摩擦轉矩。
[0006]然而，儘管有這一措施，仍然需要一種通過獲得實時的實際驅動中的摩擦以及通過使用所獲得的摩擦力來補償驅動者的方法，以實現與穿戴者意圖對應的適當運動。
[0007]此外，力-轉矩傳感器通常附著於可穿戴機器人，以測量由用戶施加的轉矩。該傳感器增加機構的重量以及價格。
[0008]因此，由於力-轉矩傳感器被用於計算穿戴者預期的轉矩，需要一種方法來有效計算穿戴者預期的轉矩而無需使用昂貴的傳感器。
[0009]上述內容的目的僅為幫助理解本發明構思的背景，並不旨在表明本發明構思落在本領域技術人員已知的相關技術的範圍之內。
[0010]【相關技術文件】
[0011](專利文件I)韓國未審查專利申請公開第10-2008-0079590號
【發明內容】
[0012]因此，由於上述在相關技術中出現的問題，已做出本發明構思，並且本發明構思意在提出一種提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法和系統，其使用擾動觀測器(disturbance observer)來計算穿戴者的目標轉矩並使用擴展卡爾曼濾波器計算摩擦補
\-ΖΧ O
[0013]本發明構思的一個方面涉及提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的系統，包括電動機傳感器，該電動機傳感器配置成測量對關節進行驅動的電動機的旋轉角度或旋轉角速度。連接件傳感器配置成，測量與關節連接的連接件的旋轉角度或旋轉角速度。控制器配置成，將從電動機的旋轉角速度和連接件的旋轉角速度計算出的電動機轉矩代入擾動觀測器中，並計算由穿戴者施加的目標轉矩的估計值。
[0014]本發明構思的另一個方面涉及提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法，其中使用對關節進行驅動的電動機的旋轉角度或旋轉角速度以及與關節連接的連接件的旋轉角度或旋轉角速度。該方法包括電動機轉矩計算步驟，即從電動機的旋轉角速度計算電動機轉矩。連接件旋轉計算步驟對連接件的旋轉角速度進行計算。目標轉矩計算步驟將電動機轉矩和連接件的旋轉角速度代入擾動觀測器中，並計算由穿戴者施加的目標轉矩的估計值。
[0015]此處，電動機轉矩計算步驟可包括:將通過從電動機的旋轉角度減去連接件的旋轉角度並通過在減法結果上執行比例控制而得到的分向量，加到通過從電動機的旋轉角速度減去傳感器噪音並在減法結果上執行微分控制而獲得的分向量；從相加結果減去目標轉矩的估計值；以及計算電動機轉矩。
[0016]此外，目標轉矩計算步驟可以包括將連接件的旋轉角速度乘以連接件標稱模型的反函數，計算電動機轉矩的估計值，從計算結果減去電動機轉矩，使減法結果通過Q濾波器，並計算目標轉矩的估計值。
[0017]同時，該方法還可包括電動機控制步驟，其將目標轉矩估計值加到需求轉矩，從加法結果減去摩擦轉矩估計值，獲得固定的需求轉矩，並根據該固定的需求轉矩控制電動機。
[0018]此外，電動機控制步驟可包括將電動機的旋轉角度和電動機的旋轉角速度代入擴展卡爾曼濾波器中，並計算摩擦轉矩的估計值。
[0019]根據具有上述結構的提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法和系統，可以使用擴展卡爾曼濾波器除去驅動者的摩擦而無需單獨的力-轉矩傳感器，也可以使用用於現有擾動預測的擾動觀測器來提取穿戴者的目標轉矩。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]發明構思的上述和其他特徵將可從本發明構思實施方式的更加具體描述中清晰得到，實施方式在附圖中示出，附圖標記在不同的圖中表示相同或相似的部件。所附的附圖並非必然成比例，而是將重點放在說明本發明構思實施方式的原理上。
[0021]圖1是根據本發明構思實施方式的提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的系統的配置圖。
[0022]圖2是根據本發明構思實施方式的提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法的流程圖。
[0023]圖3是根據本發明構思實施方式的提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法的框圖。【具體實施方式】
[0024]以下將參照附圖詳細地說明本發明構思的實施例。然而，本發明構思的實施例可以以不同形式表現，不應該被理解為限制於本文中所述的實施例。相似的附圖標記可以貫穿說明書指代相似元件。
[0025]在下文中，將參照附圖詳細說明根據本發明構思的示例性實施方式的提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法和系統。
[0026]圖1是根據本發明構思實施方式的提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的系統的配置圖。提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的系統可包括:電動機傳感器120，測量對關節G進行驅動的電動機100的旋轉角度或旋轉角速度；連接件傳感器300，測量與關節G連接的連接件200的旋轉角度或旋轉角速度；以及控制器400，將從電動機100的旋轉角速度和連接件200的旋轉角速度計算出的電動機轉矩代入擾動觀測器中，並計算由穿戴者施加的目標轉矩的估計值。
[0027]簡單描述擾動觀測器，擾動觀測器通常是一種算法，其假設在基於系統的數學模型的輸出與將要被幹擾的系統的實際輸出之間的差異，並使用所觀察的擾動來補償輸入。如果系統的建模誤差不是很大，可以通過該擾動補償來設計有效對抗幹擾的控制器。
[0028]參照圖1，連接件200可以經由電動機100與機器人的關節G連接。在穿戴者操作的情況下，穿戴者的操作可以由電動機傳感器120和連接件傳感器300的旋轉編碼器檢測。因此，可以控制電動機100的驅動以補償關節G的摩擦，並檢測穿戴者的目標轉矩。
[0029]圖2是根據本發明構思的實施方式的提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法的流程圖。提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法可利用對關節進行驅動的電動機的旋轉角度或旋轉角速度以及與關節連接的連接件的旋轉角度或旋轉角速度。該方法可包括:電動機轉矩計算步驟S100,從電動機的旋轉角速度計算電動機轉矩；連接件旋轉計算步驟S200,計算連接件的旋轉角速度；以及目標轉矩計算步驟S300，將計算出的電動機轉矩和計算出的連接件的旋轉角速度代入擾動觀測器中，並計算由穿戴者施加的目標轉矩的估計值。
[0030]電動機轉矩計算步驟SlOO可包括將通過從電動機的旋轉角度減去連接件的旋轉角度並通過在旋轉角相減結果上執行比例控制而得到的分向量加到通過從電動機的旋轉角速度減去傳感器噪音並在減去傳感器噪音的結果上執行微分控制而獲得的分向量。而且電動機轉矩計算步驟SlOO可以從相加結果減去目標轉矩的估計值。從而，可以計算電動機轉矩。
[0031]此外，目標轉矩計算步驟S300可包括將連接件的旋轉角速度乘以連接件的標稱模型的反函數，計算電動機轉矩的估計值，從計算結果減去電動機轉矩，並且使減去電動機轉矩的結果通過Q濾波器。由此，可以計算出目標轉矩的估計值。
[0032]該方法還可包括電動機控制步驟S400，其將目標轉矩估計值加到需求轉矩，從相加結果減去摩擦轉矩估計值，獲得固定的需求轉矩，並且根據固定的需求轉矩來控制電動機。在電動機控制步驟S400中，可以通過將電動機的旋轉角度和電動機的旋轉角速度代入擴展卡爾曼濾波器(EKF)中，從而計算摩擦轉矩的估計值。
[0033]圖3是根據本發明構思的實施方式的用於提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法的框圖。該方法將參照圖3進行更詳細說明。[0034]首先，可以計算穿戴者驅動機器人的需求轉矩τ d。可以將穿戴者的目標轉矩估計值4加到需求轉矩Td。可以從加上目標轉矩估計值的結果減去摩擦轉矩^的估計值?,。由此，獲得最終的需求轉矩。
[0035]如果穿戴者不抬重物,需求轉矩Td可以設置為0(零)。相反,如果穿戴者抬重物，需求轉矩Td可以設置成根據情況而施加必要的轉矩。此外，可以理解的是，各種轉矩可以應用於在重力補償過程中的機器人反應。因此，可以經穿戴者的意圖和摩擦補償，在控制電流下將最終的需求轉矩輸入電動機。
[0036]在這種情況下，電動機Pm(S)可以通過指令值從最終需求轉矩輸出轉矩。這是由於因物理限制引起的摩擦轉矩的介入。因此，在本發明構思中，可以估計摩擦轉矩，並且可
以減掉估計值L由此，摩擦轉矩可以反應在最終的需求轉矩上。
[0037]同時，在電動機中，根據輸出得到電動機的旋轉角度θ μ和電動機的旋轉角速度Θ,角度Θ M和旋轉角速度0可以通過電動機傳感器測量或計算。
[0038]在擴展卡爾曼濾波器(EKF)中，摩擦轉矩的估計值匕可以通過電動機的旋轉角度θ M和電動機的旋轉角速度A在非線性部分中獲得。為通過替代旋轉角度θ M和旋轉角速度
獲得摩擦轉矩，EKF的輸入設置為
【權利要求】
1.一種提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的系統，包括: 電動機傳感器，配置成測量驅動關節的電動機的旋轉角度或旋轉角速度； 連接件傳感器，配置成測量與所述關節連接的連接件的旋轉角度或旋轉角速度；以及控制器，配置成將從所述電動機的旋轉角速度和所述連接件的旋轉角速度計算出的電動機轉矩代入擾動觀測器中，並計算由穿戴者施加的所述目標轉矩的估計值。
2.一種提取對於可穿戴機器人的目標轉矩的方法，其中使用驅動關節的電動機的旋轉角度或旋轉角速度以及與所述關節連接的連接件的旋轉角度或旋轉角速度，所述方法包括: 電動機轉矩計算步驟，從所述電動機的旋轉角速度計算電動機轉矩； 連接件旋轉計算步驟，計算所述連接件的旋轉角速度；以及 目標轉矩計算步驟，將所述電動機轉矩和所述連接件的旋轉角速度代入擾動觀測器中，並計算由穿戴者施加的所述目標轉矩的估計值。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述電動機轉矩計算步驟包括: 將通過從所述電動機的旋轉角度減去所述連接件的旋轉角度並通過在減法結果上執行比例控制而獲得的分向量，加到通過從所述電動機的旋轉角速度減去傳感器噪聲並在該減法結果上執行微分控制而獲得的分向量， 從該相加結果減去所述目標轉矩的估計值，以及 計算所述電動機轉矩。
4.根據權利要求2所述的方法，其中所述目標轉矩計算步驟包括: 將所述連接件的旋轉角速度乘以所述連接件的標稱模型的反函數， 計算所述電動機轉矩的估計值， 從所計算的結果減去所述電動機轉矩， 使該減法結果通過Q濾波器，以及 計算所述目標轉矩的估計值。
5.根據權利要求2所述的方法，還包括: 電動機控制步驟，將所述目標轉矩的估計值加到需求轉矩，從相加結果減去摩擦轉矩的估計值，獲得固定的需求轉矩，並根據所述固定的需求轉矩來控制所述電動機。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述電動機控制步驟包括: 將所述電動機的旋轉角度和所述電動機的旋轉角速度代入擴展卡爾曼濾波器，以及 計算所述摩擦轉矩的估計值。
【文檔編號】G05D17/02GK103869841SQ201310157154
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年4月28日 優先權日:2012年12月17日
【發明者】劉水貞, 梁佑誠 申請人:現代自動車株式會社