一种基于环境辨识的液压挖掘机变阻抗安全交互控制系统及方法

本发明涉及机器人学、自动控制技术、机电液一体化和计算机科学等领域，具体涉及一种基于环境辨识的液压挖掘机变阻抗安全交互控制系统及方法。

背景技术：

1、伴随新一代信息技术与智能制造的深度赋能，无人驾驶液压挖掘机正加速向机电一体化智能装备演进。其在抗震救灾、矿区开采等高危恶劣领域应用前景广阔，但提高其在复杂非结构化场景下的自主作业与控制水平，已成为工程机械智能化发展的共性需求。

2、挖掘作业本质上是铲斗末端持续剥离未知地质介质的高动态强接触过程。面对土质硬度跨量级突变的未知环境，若仅依靠传统的刚性位置控制，系统极易在切入高硬度障碍时产生巨大的机械冲击力，引发机械构件损伤与液压元件过载破坏。因此，必须采用合理的主动柔顺控制策略，顺应外部阻力动态调节机械臂动态行为，使整机保持在安全顺从的工作状态。

3、现有的挖掘机柔顺系统大多采用固定的目标阻抗参数。在实际挖掘中，当环境表面等效刚度发生剧烈突变时，固定参数的控制外环无法顺应外界介质的变化来自适应调整导纳特性，导致无法兼顾自由空间轨迹跟踪精度与接触空间柔顺卸力效果。

4、当阻抗参数设定过大极易在切入硬岩时产生巨大冲击载荷造成机械结构与液压元件过载损坏，参数设定过小则会导致自由挖掘时轨迹严重下垂、挖掘无力；同时，铲斗末端外加硬件力传感器在恶劣挖掘工况下极易高频振动损坏，而常规无传感器估算方法又因忽略非线性摩擦等动力学因素导致力感知精度严重不足；此外，系统缺乏对未知地质环境刚度的在线快速辨识与力阈值保护机制，在接触过度瞬间极易引发系统剧烈震荡甚至失稳。

5、因此，对挖掘机机械臂的柔顺控制进行深入分析与研究至关重要，以确保整机能够适应复杂多变的作业工况。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种基于环境辨识的液压挖掘机变阻抗安全交互控制系统及方法。该系统主要由参考轨迹模块、正逆运动学模块、轨迹跟踪模块、液压机械臂模块、接触力软测量模块、最小二乘法参数辨识模块、自适应律控制模块、模糊控制器模块和变阻抗控制器模块组成；实现了液压挖掘机机械臂主动柔顺控制，降低铲斗末端碰撞瞬间产生的巨大接触力，避免了挖掘机在复杂工况下因刚性碰撞造成的结构损伤，解决了在各种复杂挖掘作业工况场景下挖掘机能安全平稳实现挖掘的控制难题。

2、本发明技术方案：

3、一种基于环境辨识的液压挖掘机变阻抗安全交互控制系统，该系统主要由参考轨迹模块、正逆运动学模块、轨迹跟踪模块、液压机械臂模块、接触力软测量模块、最小二乘法参数辨识模块、自适应律控制模块、模糊控制器模块和变阻抗控制器模块组成；参考轨迹模块负责给出液压挖掘机机械臂末端的初始参考轨迹位置；所述参考轨迹模块采用五次多项式插值方法构建关节空间运动函数，并引入粒子群优化算法以挖掘作业总时间最短和系统能量消耗最低为优化目标进行全局寻优，输出平滑参考轨迹；

4、所述正逆运动学模块包含逆运动学单元和正运动学单元，所述逆运动学单元用于接收所述参考轨迹位置与变阻抗控制器模块输出的位置修正量，并解算得到期望关节角度输出至所述轨迹跟踪模块；所述正运动学单元用于接收所述液压机械臂模块反馈的实际关节角度，并输出位置信号至所述最小二乘法参数辨识模块；

5、所述轨迹跟踪模块用于接收所述期望关节角度与所述实际关节角度，生成控制信号并输出至所述液压机械臂模块；

6、所述液压机械臂模块用于根据所述控制信号执行机械臂运动，并输出所述实际关节角度 和多源传感信号（）输出至接触力软测量模块；

7、所述接触力软测量模块用于根据所述多源传感信号（）解算实际接触力，并将所述实际接触力输出至所述最小二乘法参数辨识模块；同时实际接触力与期望接触力作差得到接触力偏差，并经过二路选择器判断接触力偏差正负进行力误差输出，其输出端连接至所述模糊控制器模块和所述变阻抗控制器模块；

8、所述最小二乘法参数辨识模块用于根据所述位置信号和所述实际接触力在线辨识环境刚度，输出环境刚度至所述自适应律控制模块；

9、所述自适应律控制模块用于根据所述环境刚度生成基准阻尼和基准刚度并输出至所述变阻抗控制器模块；

10、所述模糊控制器模块用于根据所述实际接触力与期望接触力的偏差，生成阻抗参数修正量、、并输出至所述变阻抗控制器模块；所述变阻抗控制器模块用于根据所述基准阻尼和基准刚度以及阻抗参数修正量、、，实时计算动态阻抗参数，并根据接触力偏差解算所述位置修正量；将所述位置修正量输出至逆运动学单元，形成基于环境参数辨识的柔顺控制闭环反馈，最终构成液压挖掘机变阻抗安全交互控制系统。

11、一种基于环境辨识的液压挖掘机变阻抗安全交互控制方法，包括以下步骤：

12、s1：参考轨迹模块生成初始参考轨迹位置；

13、s2：逆运动学单元接收所述参考轨迹位置与位置修正量之差，解算得到期望关节角度；

14、s3：轨迹跟踪模块根据所述期望关节角度  与实际关节角度，生成控制信号驱动液压机械臂模块执行运动；

15、s4：所述液压机械臂模块执行运动后，反馈所述实际关节角度 和多源传感信号(）；

16、s5：正运动学单元根据所述实际关节角度 解算位置信号，并将所述位置信号输出至所述最小二乘法参数辨识模块；接触力软测量模块根据所述多源传感信号（）解算实际接触力；

17、s6：所述最小二乘法参数辨识模块根据所述位置信号 与所述实际接触力，在线辨识环境刚度 ；

18、s7：所述自适应律控制模块根据所述环境刚度生成基准阻尼 和基准刚度；

19、s8：模糊控制器模块根据所述实际接触力 与期望接触力的偏差，生成阻抗参数修正量 、、；

20、s9：变阻抗控制器模块根据所述基准阻尼 、所述基准刚度以及所述阻抗参数修正量、、，计算动态阻抗参数，并根据接触力偏差解算所述位置修正量，反馈至所述逆运动学单元，形成柔顺控制闭环反馈。

21、本发明的有益效果：

22、（1）提升系统建模与控制精度，采用非线性液压拟合与三维多体动力学联合建模，精准捕获比例阀死区及关节摩擦，极大缩小仿真误差，显著提升机械臂轨迹跟踪精度。

23、（2）引入基于动力学解算的接触力软测量机制，无需在铲斗末端加装昂贵且易损坏的力传感器即可精准感知末端接触力，极大降低了系统硬件成本并提升了整体的运行鲁棒性。

24、（3）提出了一种力限制保护机制，通过对实际接触力阈值的实时逻辑判断，实现了机械臂在自由空间位置跟踪与作业空间的力限制柔顺保护之间的平滑过渡，既避免了机械结构的刚性损伤又能保证完整挖掘作业的正常进行。

25、（4）构建了基于带遗忘因子的递推最小二乘法的环境辨识与模糊变阻抗参数自适应调节方法，相比于传统固定参数阻抗控制和模糊阻抗控制大幅减小了过渡过程的超调量与超调调节时间，有效抑制了接触瞬间的剧烈震荡与冲击过载，避免了机械结构疲劳与液压元件损坏，显著提升了挖掘作业过程中的整机交互安全性与主动柔顺控制效果。