12、单链柔性关节机器人外部扭矩估计与多特征增强现实机器人控制

单链柔性关节机器人外部扭矩估计与多特征增强现实机器人控制

单链柔性关节机器人外部扭矩估计

研究背景与意义

在协作机器人的应用场景中，机器人与环境的安全交互至关重要。当发生碰撞时，检测碰撞是否发生、确定受影响的连杆以及估计外部扭矩的大小，是决定机器人响应的关键初始步骤。目前，检测和估计外部力/扭矩的方法有多种，如电子皮肤、基于力/扭矩传感器的解决方案，以及能量、速度和动量观测器等间接重建方法，近年来还出现了基于学习的方法。

系统模型与问题描述

考虑一个由刚性连杆和柔性旋转关节组成的单自由度铰接软机器人，由可变刚度执行器（VSA）驱动，其中VSA包含一对以解耦对抗方式运行的电机。机器人的动力学方程如下：
- (I \ddot{q} + \beta \dot{q} + mgl \sin q = \tau_e(\varphi_a, \varphi_b) + \tau_{ext})
- (I_a \ddot{q} a + \beta_a \dot{q}_a - \tau {e,a}(\varphi_a) = \tau_a)
- (I_b \ddot{q} b + \beta_b \dot{q}_b - \tau {e,b}(\varphi_b) = \tau_b)
其中，(m)和(I)分别是连杆的质量和惯性，(\beta)是粘性阻尼系数，(g)是重力加速度，(l)是连杆质心到关节的距离，(I_a)、(I_b)和(\beta_a)、(\beta_b)是电机的惯性和阻尼系数，(\tau_{e,a})和(\tau_{e,b})是它们的柔性扭矩，(\tau_e)是连杆处的总柔性扭矩，(\