CN102426391A - 一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法，通过计算一个碰撞标量来衡量机器人在实时运作中是否发生碰撞。这种检测方法涉及两个变量，一个是机器人在闭环运行情况下的位置误差，另一个是机器人运行过程中流过电机的电流值。当前轨迹的位置误差和实时测量的电流值的即可合成一个碰撞标量，通过比较碰撞标量和已设定好的碰撞阈值，即可检测机器人在运行时是否发生碰撞。本发明只需在电机上安装电流传感器即可实现，且不需要改变原来机器人的机械设计，测量碰撞方法简单实用，计算量低，应用前景好。

Description

一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法
技术领域
本发明涉及碰撞检测领域，特别涉及一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法。
背景技术
在现今高速发展的社会中，不管是工业机器人还是服务业机器人，碰撞检测都是非常重要的，它起到保护人类安全的同时也起到保护机器人安全的作用。当前常用的检测碰撞方法主要是通过视觉或力矩传感器来检测的。
对于视觉检测，根据《基于图像的快速碰撞检测算法》这篇论文，由于视觉处理这种方法需要大量的运算，而且算法的效率极大地取决于物体模型的表示方法和物体所处场景的复杂程度，同时由于物体空间的碰撞检测只在物体几何空间进行，巨大的计算量往往使得系统不堪重负，特别在复杂的大规模场景中要实现实时交互显得尤为困难。虽然有人提出一些方法可以对其进行优化，但是仍然无法从根本上根除上述图像处理提到问题。
对于通过力矩传感器的检测方法，根据《力矩传感器的设计及其在操作臂上的应用》和《基于碰撞检测的护理型操作臂的安全性设计与实现》这两篇论文，因为在机器人的设计阶段就需要考虑到力矩传感器的安装，所以它并不一定适合应用在所有现有的机器人上；而且它的成本比较高，再者，单纯的力矩检测在机器人实际调试中会出现很多误判的情况，虽然现在利用有限元的方法可以减少这种误判，但是相应地提高了不少计算机的运算量。
中国专利申请CN101201280公开的碰撞检测装置、碰撞检测方法及应用其的机器人和吸尘器，它是一种碰撞检测装置，包括：本体、位于本体外周的至少一气囊，以及至少一气压检测器。此些气囊彼此连通，每一该气囊与每一该气压检测器连接，以检测各该气囊在各时间的压力值，及气囊的压力变化。借由气压检测器所测得的压力变化，来判断碰撞的有无及碰撞的力量。借由各该气囊在各时间的压力值求出碰撞发生的时间及位置。该方法虽然简单实用，但是响应时间较长，而且需要为机器人安装气囊及相应的设备，不一定适用于所有机器人设备。
中国专利申请 CN1623741 公开的一种多机械臂机器人关节间的碰撞检测方法，提供一种多机械臂机器人关节间的碰撞检测方法，采用一种计算机程序控制方法检测多机械臂机器人关节的碰撞，通过对多臂机器人分析，发现只要在多臂机器人的各关节两端安装上传感器，再在多臂机器人工作过程中，利用这些传感器，可容易地得到机械臂上各关节的端点空间坐标，将多臂机器人机械臂上各关节所处的空间位置以空间坐标的数据信号通过传感器用电信号传递到计算机系统，再根据任意空间两线段之间的最短距离用程序控制的方法来判别两个有长度限制的圆柱状状物体的机械干涉关系，采用离散检测算法就可以进行多臂机器人关节间的碰撞检测。该方法具有比较强的理论可行性，但是具体的操作需要提供机器人的模型，对于不同机器人模型算法都需要重新设计，而且此方法只能应用于已知环境，它无法对未知环境有否发生碰撞进行判断，因而不具有简单通用的特点。
中国专利申请CN1987351 公开的三次元离线碰撞检测系统及方法，提供一种三次元离线碰撞检测方法，包括如下步骤：输入一运动物体、一待测物体及所量测的单点坐标及其向量；建立碰撞检测模型，且分别合并模型；输入所述运动物体的参数，并计算该运动物体的运动坐标；根据所计算出的运动坐标运行；检测是否有碰撞；若有碰撞，则用一指定颜色绘制该运动物体起始点和碰撞点之间的路径线，且输出碰撞点的坐标；若没有碰撞，则用不同于所述指定的颜色绘制该运动物体起始点和终点之间的路径线。利用本发明，可以避免机台发生安全事故，节省成本，提高量测效率。此方法和上述“一种多机械臂机器人关节间的碰撞检测方法”一样，需要提供机器人现场的模型和机器人自身的模型，它能对已知环境的碰撞进行预测，但不能在位置环境判断碰撞发生。
中国专利申请CN101719173A 公开的一种面向对象的并行碰撞检测方法、装置及系统，公开了一种面向对象的并行碰撞检测方法、装置及系统，由主控制结点根据运动物体列表，生成所有需做碰撞检测的物体对的列表，空闲结点向主控制结点发出请求做碰撞检测的信息，主控制结点收到上述请求做碰撞检测的信息后，将需做碰撞检测的物体对列表中的物体对分配给各空闲结点进行并行碰撞检测。该方法、装置及系统在保证碰撞响应唯一性、完全性的同时，还能降低算法的复杂性，进一步提高碰撞检测速度。此方法用于规划机器人的碰撞轨迹，通过检测被碰撞物有否发生移动来判断是否发生碰撞，这种方法需要提供一个无干扰的环境，也就是说其无法对未知环境的碰撞进行判断。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术存在的缺点与不足，提出一种新的简单方法来检测机器人发生碰撞。
本发明的技术目的通过下述技术方案实现：
一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法，包括如下步骤：
第一步  机器人的电机上安装电流传感器，用于检测机器人运行时的电流值                                                ，电机使用闭环控制以获机器人当时的位置误差
Figure 972325DEST_PATH_IMAGE002
；
第二步  利用公式（1）计算碰撞标量
Figure 728316DEST_PATH_IMAGE003
；当检测到当前的
Figure 967667DEST_PATH_IMAGE004
大于碰撞阈值即可认为机器人发生了碰撞；
Figure 902311DEST_PATH_IMAGE006
     （1）
式中 
Figure 209796DEST_PATH_IMAGE007
。 
Figure 100391DEST_PATH_IMAGE005
为碰撞阈值；当实际检测计算出来的碰撞标量大于这个值，则表明此时发生了碰撞。
Figure 84397DEST_PATH_IMAGE008
为期望最大电流值；
Figure 630916DEST_PATH_IMAGE008
可以为定值，也可以为变量；例如在直角坐标平台上，匀速移动时轴受力基本恒定，这时可以取这个值为定值，又或者在六轴机器人上，机械臂受力随机械人不同位姿变化而变化，这时可以把这个值设为与位姿有关的一个变量。
Figure 991359DEST_PATH_IMAGE009
为期望最大误差；同理也可以因使用的环境和算法把它设为一个定值或者一个变量。
所述的一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法，其特征在于电流传感器安装在电机的上电端。
本发明的原理：当机器人处于平滑的运动状态时，电流值是平稳且变化不大的，但是当机器人发生碰撞造成位置误差时，为了产生更大的力矩来消除误差，这时电流值就会突然增加，但位置误差并不一定能减少到理想值。
公式（1）是由电流信号和位置误差再乘上一个标量而成的，通过选取合适的
Figure 2040DEST_PATH_IMAGE010
值，利用测量到的数据可算出当前的碰撞标量
Figure 907679DEST_PATH_IMAGE011
，若
Figure 205410DEST_PATH_IMAGE011
的值超出碰撞阈值
Figure 917014DEST_PATH_IMAGE005
，则可判断机器人发生了碰撞。机器人按平滑的轨迹来运行时，当出现位置误差，电流值
Figure 719885DEST_PATH_IMAGE012
将会增大，使位置误差
Figure 45693DEST_PATH_IMAGE013
减少，因而碰撞标量
Figure 566804DEST_PATH_IMAGE011
是平稳变化。当机器人发生碰撞时，电流信号和误差信号将会同时增大，使碰撞标量瞬间增大，若
Figure 988744DEST_PATH_IMAGE011
超过一个特定范围，则表明发生了碰撞。其运行原理如图1所示。
    本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）在电机上安装电流传感器比安装力矩传感器或摄像头要容易得多。
（2）对比起传统测量碰撞的方法，本方法具有简单实用，计算量远低于传统方法的优点。
（3）只要是通过电机和闭环来控制运动的机器人就能应用此技术，而且不需要改变原来机器人的机械设计，其面向对象范围比传统方法更广。
附图说明
图1 是机器人碰撞检测的运行原理图。
图2 是实施例中的ACS712连接电路图。
图3 是机器人的系统结构图。
图4 是无碰撞的运动测量数据。
图5 是带碰撞的运动测量数据。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法，包括如下步骤：
第一步  机器人的电机上安装电流传感器，用于检测机器人运行时的电流值
Figure 236186DEST_PATH_IMAGE012
，电机使用闭环控制以获取机器人当时的位置误差
Figure 306910DEST_PATH_IMAGE013
；
第二步  利用公式（1）计算碰撞标量
Figure 547268DEST_PATH_IMAGE011
；当检测到当前的
Figure 324731DEST_PATH_IMAGE014
大于碰撞阈值
Figure 995271DEST_PATH_IMAGE005
即可认为机器人发生了碰撞；
所述的一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法，其特征在于电流传感器安装在电机的上电端。
现以传统工控机为控制器，通过固高运动控制卡控制多关节型机器人为实验平台。
（1）为了得到公式中的当前位置误差
Figure 287712DEST_PATH_IMAGE013
，采用插补的方法来对机器人进行轨迹规划，设定时间间隔为
Figure 82493DEST_PATH_IMAGE015
，通过轨迹生成器生成轨迹路径
Figure 963730DEST_PATH_IMAGE016
，且有
                                （3）
其中，
Figure 598291DEST_PATH_IMAGE018
表示电机期望运行到的角度，
Figure 180451DEST_PATH_IMAGE019
表示电机期望运行的角速度，
Figure 666927DEST_PATH_IMAGE020
表示电机期望运行的角加速度，若当前目标轨迹为
Figure 754969DEST_PATH_IMAGE021
，而当前测得的轨迹为
Figure 208952DEST_PATH_IMAGE022
，则可求得当前轨迹误差为
Figure 345536DEST_PATH_IMAGE023
                             （4）
经过
Figure 938716DEST_PATH_IMAGE015
后，目标轨迹变为
Figure 197659DEST_PATH_IMAGE024
，于是，新的轨迹误差为
Figure 889671DEST_PATH_IMAGE025
                          （5）
通过每个周期计算得到新的轨迹误差，利用算法来控制电机的运转，使其不断趋向轨迹。
实际应用中，使用其他算法实现也可，但是必须保证电机在闭环控制下运行，即能反馈当前位置。
（2）为了得到公式（1）中的当前检测电流值，检测电流的芯片选用霍尔电流传感器ACS712，连接电路图如图2所示， ACS712最大能测量
Figure 337019DEST_PATH_IMAGE026
的电流，它能将通过IP+和IP-的电流大小线性转换成0-5V电压大小，通过0-5V的A/D转换器的采样后，获得的数值进行如下公式处理：
Figure 704546DEST_PATH_IMAGE027
                            （6）
其中
Figure 867543DEST_PATH_IMAGE028
为当前A/D转换器采样VIOUT端获得的数值，n为A/D转换器的采样位数，通过上面公式能获得当前电流值的大小。
把电流传感器安装在电机的上电端，使其可以检测出当前流过电机的电流即可。
（3）选用合适的碰撞阈值
Figure 345929DEST_PATH_IMAGE005
，计算出相应的m值。
（4）整个系统结构如图3所示。当检测到碰撞标量
Figure 989400DEST_PATH_IMAGE014
大于碰撞阈值
Figure 511517DEST_PATH_IMAGE005
，即表明机器人发生了碰撞，可执行相应的操作。
对机器人进行轨迹规划，通过检测位置误差，利用算法来调节机器人运行的速度，从而对机器人轨迹误差进行修正，使其在平台上保持高速匀速移动，取
Figure 178122DEST_PATH_IMAGE005
=5，
Figure 446817DEST_PATH_IMAGE008
=1A，
Figure 944794DEST_PATH_IMAGE009
=0.5mm，根据公式（1）求得
Figure 388545DEST_PATH_IMAGE029
，采集数据，得到的数据如图4所示。
在直角坐标机器人上加上一根粗绳作为障碍物，和上面一样使用同样的参数来运行机器人，使其把绳子扯断，记录得到的数据如图5所示。
这两个实验分别测量了
Figure 791713DEST_PATH_IMAGE012
，和
Figure 964386DEST_PATH_IMAGE011
三个变量，从上面各图中可以看出，单从
Figure 93885DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 469502DEST_PATH_IMAGE013
来看并不能准确有效地判断出电机是否发生碰撞，但当使用公式（1）算出碰撞标量
Figure 890119DEST_PATH_IMAGE011
后不仅能清楚看出是否发生碰撞，并且能判断出发生碰撞的位置。

Claims (2)

1.一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步  机器人的电机上安装电流传感器，用于检测机器人运行时的电流值                                                
Figure 907550DEST_PATH_IMAGE001
；电机使用闭环控制以获取机器人当时的位置误差
Figure 693103DEST_PATH_IMAGE002
；
第二步  利用公式（1）计算碰撞标量
Figure 808214DEST_PATH_IMAGE003
；当检测到当前的
Figure 970205DEST_PATH_IMAGE004
大于碰撞阈值
Figure 484232DEST_PATH_IMAGE005
即可认为机器人发生了碰撞；
Figure 706266DEST_PATH_IMAGE006
     （1）
式中 
Figure 305744DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 68163DEST_PATH_IMAGE005
为碰撞阈值，
Figure 187429DEST_PATH_IMAGE008
为期望最大电流值，为期望最大误差。
2.根据权利要求1所述的一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法，其特征在于电流传感器安装在电机的上电端。
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