关节模组的控制方法、关节模组及机器人与流程

本发明属于机器人运动控制，具体涉及一种关节模组的控制方法、关节模组及机器人。

背景技术：

1、在四足机器狗、人形机器人及工业机器人等高端伺服控制领域，机器人经常需要处于“静止发力”状态，例如机器人在原地站立、保持特定姿态或抓取承重而不发生宏观位移。从电机控制的角度而言，此时关节电机处于转子机械转速为零的“堵转”工况，即转速为零，但持续输出静力矩。

2、在现有的永磁同步电机（pmsm）磁场定向控制（foc）算法中，当电机正常旋转时，三相绕组电流为交替变化的均匀正弦波，发热相对均匀。然而，在堵转工况下，转子的机械角度不动，导致foc控制下的电角度固定不变，三相电流的瞬时值也不变，造成某一相绕组及对应的mos管持续承载极大的峰值电流，这种电流的极度不均会导致热量高度集中，单相定子绕组急剧发热，不仅严重破坏了系统的热平衡，限制了机器人的极限承重能力和静立时间，还极易导致局部温升超标甚至烧毁电机和驱动器。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种关节模组的控制方法、关节模组及机器人，旨在提升关节模组的热均衡效果以及极限驻留时长。

2、第一方面，在本发明提供的一种关节模组的控制方法中，所述控制方法包括：

3、s100、接收来自上位机的使关节模组处于零速转矩保持模式所需的基础转矩电流

i

q_ref；

4、s200、生成正弦扰动电流；其中，

y(t)

为实时生成的正弦扰动电流，

a为扰动电流幅值，

f为扰动频率，为相位补偿值；

5、s300、在所述基础转矩电流

i

q_ref上叠加所述正弦扰动电流，得到重构后的目标转矩电流

i

q

*=

i

q_ref +

y(t)；

6、s400、将所述目标转矩电流

i

q

*输入电流环进行闭环调节，驱动所述关节模组的电机的电角度作往复平滑扫描，在一个扫描周期内三相逆变器输出的峰值电流遍历 u、v、w三相桥臂。

7、技术效果：在关节模组处于零速转矩保持（堵转）模式时，获取当前基础转矩电流，自适应计算并注入特定幅值、频率、相位的正弦扰动电流叠加至电流环给定值。打破了电机堵转时电角度绝对静止导致的三相绕组局部过热问题。通过注入正弦扰动电流，强制驱动电角度在当前工作点附近平滑往复扫描，使电机三相绕组（及驱动器mos管）交替承担峰值电流。无需增加任何额外的散热硬件，即可实现系统热量的动态均衡分布，大幅延长机器人在大负载静立状态下的热平衡持续时间（极限驻留时长），有效避免了局部温升超标导致的器件损坏。

8、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，驱动所述关节模组的电机的电角度作往复平滑扫描时，关节模组的电机的电角度以处于所述零速转矩保持模式的初始角度为中心在-90°到90°范围内作往复平滑扫描。

9、技术效果：在永磁同步电机中，三相绕组在空间上互差120°电角度。限定电角度在-90°到90°（共180°）范围内扫描，是一个“理论最优解”。它确保了无论电机的初始堵转角度落在哪个扇区，合成的电流矢量都能完整跨越并轮流对齐其它相的坐标轴。这强制使得最初承载峰值电流的某一相能够完全卸载，真正实现了热量在u、v、w三相间的绝对均摊。

10、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，所述三相逆变器对应的u、v、w 三相桥臂功率开关管单独导通承受峰值电流的时间均少于该扫描周期的二分之一。

11、技术效果：限定单相桥臂（mosfet）承受峰值电流的时间少于半个周期，直接从物理发热层面切断了热量持续累积的路径。这赋予了功率开关管充足的散热恢复时间，有效防止了单颗mos管因持续“满载发热”而导致的结温超标或炸机，从根本上提升了驱动硬件的极限生存能力和寿命。

12、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，所述扰动电流幅值

a与所述关节模组的电机的极对数

p呈负相关

，且所述扰动电流幅值

a与关节模组的减速器的减速比

n呈负相关。

13、技术效果：扰动的最终目的是为了让“电角度”产生足够的变化（如180°）。根据电机原理（电角度 = 极对数

p× 机械角度），极对数

p越多的电机，只需极小的转子机械微动，就能产生巨大的电角度变化；同理，减速比

p越大，转子的微小摆动传递到关节输出端的机械位移就越小。同时，明确电流幅值

a 与

p、

n的负相关关系，意味着在面对多极对数电机或大减速比关节时，系统会自动“收敛”并减小扰动电流的幅值。这确保了在满足电角度扫描范围（热均衡）的前提下，输出轴不会产生被过度放大的有害机械摆动，从而在根源上保护了谐波/rv等减速器齿轮免受大振幅高频交变应力的冲击，保证了关节模组整机工作的稳定与平顺。

14、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，基于所述基础转矩电流

i

q_ref的自适应比例计算所述扰动电流幅值

a：，其中，

λ(

p,

n)为由电机的极对数

p和减速器的减速比

n决定的基准缩放系数，

λ(

p,

n)为经验值范围0.05∼0.15内的一个预设值。

15、技术效果：使得扰动幅值

a不再是一个固定数值，而是能够跟随当前负载（基础转矩电流）动态变化，确保在任意负载下都能达到刚好让电角度扫描约180°的最优均热目标。

16、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，基于关节模组的等效抗扭刚度计算所述扰动电流幅值

a：，

k

load为减速器输出端的刚度，

k

t为电机的转矩常数。

17、技术效果：引入减速比

n和等效抗扭刚度（）进行计算，充分考虑了关节机械结构在不同受力下的柔性形变。这能有效避免因注入扰动幅值过大而被减速器放大，从而引起末端过大机械摆动或系统谐振，保护了机械传动部件。

18、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，所述扰动电流幅值

a基于离线标定的多维插值查表法确定：在关节模组的出厂标定阶段，将极对数  和减速比 作为固定值，以基础转矩电流

i

q_ref作为输入索引，建立查找表；通过施加不同基础转矩电流

i

q_ref，来记录对应的扰动电流幅值

a，以完成查找表的网格点数据的填充；在关节模组运行时，根据实时获取的基础转矩电流

i

q_ref来查表，得到对应的扰动电流幅值

a；其中，如果基础转矩电流

i

q_ref处于两个网格点之间，则采用线性插值算法平滑计算出对应的扰动电流幅值

a。

19、技术效果：关节模组的驱动器底层mcu算力有限，通过离线标定并建立查找表（look-up table），将复杂的浮点或非线性计算转化为查表操作，大幅降低了电流环控制的运算延迟，保证了高频响应能力。针对非网格点数据采用线性插值算法，保证了在负载连续变化（即转矩电流动态改变）时，输出的扰动电流幅值依然连续平滑，不会出现阶跃突变，从而避免了电机产生电流噪声或顿挫感。

20、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，若机器人的当前工况场景允许关节模组的机械摆动幅度α ≥0.3°时，1hz ≤

f ≤ 50hz；否则，若机器人的当前工况场景不允许关节模组有机械摆动幅度时，50hz <

f ≤ 300hz。

21、技术效果：通过采用双模式频率解耦策略，当允许机械微动时，采用1hz~50hz低频；不允许微动时，采用50hz~300hz高频。创造性地将“热管理”与“机械约束”解耦。在非精密操作（如机器狗粗糙地面站立）时使用低频，能够获得极致的散热提升效果（热平衡时间延长约50%）；在精密装配或静音要求场景下使用高频，利用机械惯性滤波（低通滤波效应）将振动衰减至微米级，肉眼不可察觉且人耳无法感知电磁噪音，同时仍能获得约20%的散热提升。

22、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，相位补偿值的初值设为 0，在扰动电流幅值

a和扰动频率

f确定后，依据基础转矩电流

i

q_ref电流环控制周期进行跟随调整。

23、技术效果：驱动器在注入正弦扰动电流

y(t)时，软硬件系统及控制链路会存在固有的传输延时。通过依据电流环周期实时动态调整相位补偿值，能够确保注入的正弦扰动波形与基础foc电流波形精准对齐融合，防止因相位差导致的拍频现象（beatfrequency）或高次谐波干扰，保障了闭环控制的稳定性和平顺性。

24、在本发明提供的上述控制方法的一种优选的技术方案中，在生成正弦扰动电流

y(t)之前，还包括根据如下条件判断关节模组处于零速转矩保持模式：接收到上位机下发的进入零速转矩保持模式的指令；或者，监测到电机的转速在预设零速阈值范围内达到持续时间阈值。

25、技术效果：（1）接受上位机指令，使机器人能够在执行重载抓取或静立动作前“主动预判”，提前进入均热模式，防止热量堆积起步； （2）依靠底层自主监测，形成了一道“安全底线”，即使上位机通讯异常或未下发指令，关节模组也能在检测到意外堵转（如卡死或受阻）时自主触发热均衡保护机制，极大提升了系统的容错率和生存能力。

26、第二方面，在本发明提供的一种关节模组中，该关节模组包括电机、减速器、编码器和驱动器，减速器与所述电机的输出轴连接，编码器用于检测所述电机的转速，驱动器分别与所述电机和所述编码器电连接，所述驱动器被配置为执行第一方面中任一项所述的关节模组的控制方法。

27、技术效果：提供了一种高度集成化、具备“本体自主热管理能力”的智能关节模组。该关节模组无需在外部增设水冷套壳、散热风扇或额外的温度传感器，仅通过驱动器软件算法的升级，即可在极低硬件成本下突破物理散热瓶颈，实现更高的额定保持转矩密度。

28、第三方面，在本发明提供的一种机器人中，该机器人包括上述第二方面中的关节模组。

29、技术效果：赋予机器人（特别是足式机器狗、人形机器人）更卓越的极限承重能力和超长的静立工作时间。使机器人在极限工况下的整体nvh（噪声、振动与声振粗糙度）表现得到显著优化，提升了机器人的环境适应性、作业精度以及整机的使用寿命。