CN103878791B - 工业机器人无外部传感器的外力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业机器人无外部传感器的外力检测方法，所述方法是依据动量偏差观测器算法获得外力在机器人各关节上的等效力矩，依据等效外力矩可以得出外力的大小、大致方向，以及所作用连杆；从工业机器人关节电机驱动器读取关节驱动力矩参数以及关节位置，并由位置参数通过微分获取速度参数，运用这三个参数即可利用动量偏差观测器算法获取作用于机器人的外力；所述算法无需添加外部传感器，无需对现有机器人进行大幅改动的前提下，即可实现工业机器人外力检测。本发明动量偏差观测器算法不使用加速度参数，大幅提高外力检测的可靠性和精度，对检测机器人碰撞，提高机器人安全性具有重要意义，且本发明实现方法较为简单，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业机器人无外部传感器的外力检测方法，可应用于机器人需要知道外部作用力信息情况下，特别是在机器人安全控制中碰撞力检测方面和人机交互时人的意图识别及安全保护方面具有很好的作用。
背景技术
工业机器人在制造业和服务领域的应用越来越广泛，同时对机器人外力的识别也越来越重要，例如，在机器人安全性研究中对碰撞力的检测需要对外力的识别，在机器人人机交互时不仅需要识别人的意图，还需要保证人的安全，而对机器人所受外力的识别则可以为它们提供方便。为了检测机器人所受外力，目前所采取的外力检测方法主要是在机器人外部添加力传感器，但这种方法仅限于安装了传感器的部位且增加了成本，增加了系统复杂度。此外，也有采用机器人内部传感器检测法，该法通过采集机器人各个关节力矩，并采集位置编码器的值，运用动力学方程计算在此运动状态下机器人所需的驱动力矩，将该力矩与实际采集的力矩对比以确定机器人外力在关节位置的等效外力矩，然而该法需要求解位置值的一阶、二阶导数，这会引入噪音干扰，影响检测的准确性。对于机器人外力的检测方法还有待于进一步的研究，以保证检测的准确性，同时又能减少对机器人的改动。
考虑到以上因素，本发明直接从工业机器人关节的伺服电机驱动器中实时读取力矩、位置参数，并基于这些参数设计力矩观测算法以求取外力矩。这样不仅可以求得碰撞力，并且无需添加传感器，无需对现有机器人进行改造，也无需使用加速度参数，提高了外力检测的准确性，避免了对机器人的改造并减少了系统的复杂性。这使得本发明可以很容易地移植到现有机器人上，使用起来较为方便，有较好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需额外添加传感器就可以检测机器人所受外力的工业机器人无外部传感器的外力检测方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种工业机器人无外部传感器的外力检测方法，
提供一工业机器人，该工业机器人包括至少1个关节和控制器，每个关节均包括连杆、减速机、电机、驱动器和编码器，所述驱动器包括力矩检测单元；
所述外力检测方法为：所述控制器从所述驱动器中读取力矩参数和编码器位置参数，采用动量偏差观测器算法，得到外力在所述关节处的等效外力矩，依据所述等效外力矩得出外力的大小和方向，以及所作用连杆。
在本发明实施例中，所述的动量偏差观测器算法，是依据机械手广义动量与外力矩间具有解耦性，且工业机器人受到外力时，动量会发生变化的原理来设计动量偏差观测器。
在本发明实施例中，所述外力检测方法具体实施步骤如下，
S01：建立所述工业机器人的动力学方程，其中，为关节角位移，为关节角速度，为关节角加速度，为工业机器人的惯性矩阵，为工业机器人的哥氏矩阵，为作用于各关节的重力矩矢量，为关节的驱动力矩，为外部作用力等效到各关节的力矩；
S02：求取所述工业机器人的广义动量；
S03：设计动量偏差观测器，，其中，为动量估计值，其具体形式为，依据动力学方程对所建动量偏差观测器展开，得到动量偏差观测器的具体形式，r为所观测的动量偏差，在数值上等于作用于机器人上的外力在机器人关节处的等效力矩，p(t)为机器人的广义动量，是的转置，K 1 ，K 2 为常数对角矩阵，具体数值可按步骤S05求得；
S04：对所述动量偏差观测器加入性能调整函数，得到动量偏差观测器的最终形式，K 3 为常数对角矩阵，具体数值可按步骤S05求得；
S05：调整所述动量偏差观测器函数中，K 1 ，K 2 ，K 3 的值，使系统获得良好性能，其中，K 1 >0，K 2 >0，K 3 >0，均为系统的增益矩阵；动量偏差观测器为一改进型二阶系统，系统阻尼比，可先调整K 1 ，K 2 使系统处于过阻尼转态，再调整系数K 3 提高系统的实时性和准确性；
S06：从工业机器人中读取关节驱动力矩、关节位置参数，再有关节位置通过微分获得关节速度，代入所述动量偏差观测器函数，得到外力在关节上的等效外力矩r；
S07：根据所述外力矩得到外力所作用工业机器人的连杆；所述外力矩r的形式为，为不全为零的数，且，从右到左寻找第一个不为零的，则第i杆即为外力作用连杆；
S08：根据外力作用的具体位置，通过，求得外力的大小和具体方向，其中，F e 为外力，为外力作用位置的工业机器人雅可比矩阵，r为动量偏差观测器观测的外力矩。
在本发明实施例中，所述的动量偏差观测器算法只需采集工业机器人运行时的关节驱动力矩、关节位置两个参数，所需关节速度参数从所述关节位置微分得到，无需加速度信息，减小噪声干扰。
在本发明实施例中，所述外力检测方法无需添加外部传感器。
在本发明实施例中，所述检测算法在工业机器人控制器上实时运行。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明直接从工业机器人关节的驱动器中实时读取力矩、位置参数，并基于这些参数设计力矩观测算法以求取外力矩，这样不仅可以求得碰撞力，并且无需添加传感器，无需对现有机器人进行改造，也无需使用加速度参数，提高了外力检测的准确性，避免了对机器人的改造并减少了系统的复杂性；这使得本发明可以很容易地移植到现有机器人上，使用起来较为方便，有较好的应用前景。
附图说明
图1是工业机器人系统。
图2是工业机器人关节组成图。
图3是本发明动量偏差观测器的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种工业机器人无外部传感器的外力检测方法，
提供一工业机器人，该工业机器人包括至少1个关节和控制器，每个关节均包括连杆、减速机、电机、驱动器和编码器，所述驱动器包括力矩检测单元；
所述外力检测方法为：所述控制器从所述驱动器中读取力矩参数和编码器位置参数，采用动量偏差观测器算法，得到外力在所述关节处的等效外力矩，依据所述等效外力矩得出外力的大小和方向，以及所作用连杆。
为让本领域技术人员更加了解本发明方法，以下为本发明的具体实施例。
如图1所示为通常工业机器人系统，由机器人本体11和控制器12组成，在控制器上设有计算机或者工控机，可用于数据处理、轨迹规划等功能，可以很容易地添加程序。在图1通用机器人系统的基础上，本发明提供一种机器人无外部传感器的外力检测方法，所述的工业机器人由至少1个关节和控制器组成，每个关节由连杆、减速机、电机、驱动器和编码器组成，如图2所示。所述驱动器具有力矩检测单元，编码器与电机同步转动，编码器连接到驱动器，从驱动器中能够获取编码器对应的电机轴角位移信息。所述的无外部传感器外力检测方法，是所述的工业机器人控制器只需从驱动器中读取力矩参数和编码器位置参数，采用动量偏差观测器算法，得到外力在机器人关节处的等效外力矩，依据所述等效外力矩可以得出外力的大小、方向，以及作用于机器人哪一连杆上。
所述的动量偏差观测器算法，是依据机械手广义动量与外力矩间具有解耦性，且工业机器人受到外力时，动量会发生变化的原理来设计动量偏差观测器。
所述的动量偏差观测器算法只需采集工业机器人运行时的关节驱动力矩、关节位置参数，在由关节位置通过微分获取关节速度参数，无需加速度信息，减小噪声干扰。
所述外力检测方法无需添加外部传感器。
所述检测算法在工业机器人控制器上实时运行。
所述外力检测方法具体实施步骤如下，
S01：建立所述工业机器人的动力学方程，其中，为关节角位移，为关节角速度，为关节角加速度，为工业机器人的惯性矩阵，为工业机器人的哥氏矩阵，为作用于各关节的重力矩矢量，为关节的驱动力矩，为外部作用力等效到各关节的力矩；
S02：求取所述工业机器人的广义动量；
S03：设计动量偏差观测器，，其中，为动量估计值，其具体形式为，依据动力学方程对所建动量偏差观测器展开，得到动量偏差观测器的具体形式，r为所观测的动量偏差，在数值上等于作用于机器人上的外力在机器人关节处的等效力矩，p(t)为机器人的广义动量，是的转置，K 1 ，K 2 为常数对角矩阵，具体数值可按步骤S05求得；
S04：对所述动量偏差观测器加入性能调整函数，得到动量偏差观测器的最终形式，K 3 为常数对角矩阵，具体数值可按步骤S05求得；
S05：调整所述动量偏差观测器函数中，K 1 ，K 2 ，K 3 的值，使系统获得良好性能，其中，K 1 >0，K 2 >0，K 3 >0，均为系统的增益矩阵；动量偏差观测器为一改进型二阶系统，系统阻尼比，可先调整K 1 ，K 2 使系统处于过阻尼转态，再调整系数K 3 提高系统的实时性和准确性；
S06：从工业机器人中读取关节驱动力矩、关节位置参数，再有关节位置通过微分获得关节速度，代入所述动量偏差观测器函数，得到外力在关节上的等效外力矩r；
S07：根据所述外力矩得到外力所作用工业机器人的连杆；所述外力矩r的形式为，为不全为零的数，且，从右到左寻找第一个不为零的，则第i杆即为外力作用连杆（i为整数）；
S08：根据外力作用的具体位置，通过，求得外力的大小和具体方向，其中，F e 为外力，为外力作用位置的工业机器人雅可比矩阵，r为动量偏差观测器观测的外力矩；
在本实施例中，所述动量偏差观测器实质上为一改进型的二阶系统，对其微分后进行拉普拉斯变换可得，因此力矩观测值可以准确跟踪外力矩，其控制系统框图如附图3所示。
基于上述步骤，即可完成对机器人外力的检测，所述检测方法无需添加传感器，无需加速度信息，无需对现有机器人进行大幅改造，可靠性高，具有较好的实时性和准确性。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种工业机器人无外部传感器的外力检测方法，其特征在于：
提供一工业机器人，该工业机器人包括至少1个关节和控制器，每个关节均包括连杆、减速机、电机、驱动器和编码器，所述驱动器包括力矩检测单元；
所述外力检测方法为：所述控制器从所述驱动器中读取力矩参数和编码器位置参数，采用动量偏差观测器算法，得到外力在所述关节处的等效外力矩，依据所述等效外力矩得出外力的大小和方向，以及所作用连杆；
所述外力检测方法具体实施步骤如下，
S01：建立所述工业机器人的动力学方程，其中，为关节角位移，为关节角速度，为关节角加速度，为工业机器人的惯性矩阵，为工业机器人的哥氏矩阵，为作用于各关节的重力矩矢量，为关节的驱动力矩，为外部作用力等效到各关节的力矩；
S02：求取所述工业机器人的广义动量；
S03：设计动量偏差观测器，，其中，为动量估计值，动量估计值的微分满足：，依据动力学方程对所建动量偏差观测器展开，得到动量偏差观测器的具体形式，r为所观测的动量偏差，在数值上等于作用于机器人上的外力在机器人关节处的等效力矩，p(t)为机器人的广义动量，是的转置，K 1 ，K 2 为常数对角矩阵，具体数值可按步骤S05求得；
S04：对所述动量偏差观测器加入性能调整函数，得到动量偏差观测器的最终形式，K 3 为常数对角矩阵，具体数值可按步骤S05求得；
S05：调整所述动量偏差观测器函数中，K 1 ，K 2 ，K 3 的值，使系统获得良好性能，其中，K 1 >0，K 2 >0，K 3 >0，均为系统的增益矩阵；动量偏差观测器为一改进型二阶系统，系统阻尼比，可先调整K 1 ，K 2 使系统处于过阻尼转态，再调整系数K 3 提高系统的实时性和准确性；
S06：从工业机器人中读取关节驱动力矩、关节位置参数，再有关节位置通过微分获得关节速度，代入所述动量偏差观测器函数，得到外力在关节上的等效外力矩r；
S07：根据所述外力矩得到外力所作用工业机器人的连杆；所述外力矩r的形式为，为不全为零的数，且，从右到左寻找第一个不为零的，则第i杆即为外力作用连杆；
S08：根据外力作用的具体位置，通过，求得外力的大小和具体方向，其中，F e 为外力，为外力作用位置的工业机器人雅可比矩阵，r为动量偏差观测器观测的外力矩。
2.根据权利要求1所述的工业机器人无外部传感器的外力检测方法，其特征在于：所述的动量偏差观测器算法，是依据机械手广义动量与外力矩间具有解耦性，且工业机器人受到外力时，动量会发生变化的原理来设计动量偏差观测器。
3.根据权利要求1所述的工业机器人无外部传感器的外力检测方法，其特征在于：所述的动量偏差观测器算法只需采集工业机器人运行时的关节驱动力矩、关节位置两个参数，所述关节速度从所述关节位置微分得到，无需加速度信息，减小噪声干扰。
4.根据权利要求1所述的工业机器人无外部传感器的外力检测方法，其特征在于：所述外力检测方法无需添加外部传感器。
5.根据权利要求1所述的工业机器人无外部传感器的外力检测方法，其特征在于：所述检测算法在工业机器人控制器上实时运行。
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Granted publication date: 20160309 |
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