CN104070522B - 用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法及装置 - Google Patents
用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法及装置，该装置包括伺服电机驱动器及工业机器人控制器，控制器具有相连接的运动学习模块及运动处理模块，伺服电机驱动器与运动处理模块连接；该方法，包括步骤：S1、系统启动；S2、运动学习模块发出运动指令；S3、运动处理模块接收伺服电机驱动器回传的实时力矩数据及编码器数据，并计算出现预警值及边界值，将当前的力矩与所述预警值及边界值进行比较，获得碰撞发生情况；S4、根据碰撞发生情况，对运动指令的参数进行修改，以使机器人不发生碰撞或减小碰撞力度。其有益效果在于：使机器人在运行过程中避免发生碰撞或最大程度降低碰撞程度，减轻碰撞引发的事故，以降低碰撞造成的损失。
Description
【技术领域】
本发明涉及工业机器人控制技术领域，尤其涉及一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法及装置。
【背景技术】
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
一般，工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成，主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
然而，工业机器人在执行指令信号的过程中，其执行机构可能会与其他外部物体发生碰撞，这种碰撞事故不仅影响了机器人的正常运行，严重时还会损坏机器人，如此，造成了较大的损失。
【发明内容】
本发明的目的在于有效克服上述技术的不足，提供一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法及装置，以使机器人在运行过程中避免发生碰撞或最大程度降低碰撞程度，减轻碰撞引发的事故，以降低碰撞造成的损失。
本发明的技术方案是这样实现的：一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的装置，它包括：
伺服电机驱动器，具有指令接口A、实时力矩接口A及编码器接口A；
工业机器人控制器，具有运动学习模块及运动处理模块，所述运动处理模块连接有指令接口B、实时力矩接口B及编码器接口B；其中，
所述指令接口B与所述伺服电机驱动器的指令接口A信号连接，用于向所述伺服电机驱动器发送运动控制指令；
所述实时力矩接口B与所述伺服电机驱动器的实时力矩接口A信号连接，伺服电机驱动器通过实时力矩接口A为工业机器人控制器回传实时力矩数据；
所述编码器接口B与所述伺服电机驱动器的编码器接口连接，伺服电机驱动器通过编码器接口A为工业机器人控制器回传实时编码器数据；
所述运动学习模块与所述运动处理模块连接，对机器人每个关节每次运动的每个轨迹点进行不断学习，记录每个关节的每个轨迹点的坐标点以及对应的力矩值，生成运动指令；
所述运动处理模块接收所述伺服电机驱动器回传的实时力矩数据及编码器数据，计算当前力矩的预警值及边界值，并将当前力矩与所述预警值及边界值比较，通过比较结果判断是否可能发生碰撞或已经碰撞，在可能发生碰撞或已经碰撞情况下，通过修改运动指令已达到避免碰撞或减小碰撞。
进一步的，在可能出现碰撞时，运动处理模块通过修改当前准备发出的运动指令参数，对伺服电机驱动器进行减速，并发出即将碰撞提示；在已经出现碰撞时，运动处理模块对当前的运动指令进行冻结，同时对伺服电机驱动器进行停机，使碰撞不再加剧。
一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法，它包括如下步骤：
S1、系统启动；
S2、工业机器人控制器内的运动学习模块根据要求向运动处理模块发出运动指令；
S3、工业机器人控制器内的运动处理模块接收伺服电机驱动器回传的实时力矩数据及编码器数据，并根据最近一次的力矩及编码器数据计算出现碰撞时的预警值及边界值，并将当前的力矩与所述预警值及边界值进行比较，获得碰撞发生情况；
S4、工业机器人控制器内的运动处理模块根据碰撞发生情况，对来自运动学习模块的运动指令的参数进行修改，以使机器人执行所述运动指令时不发生碰撞或减小碰撞力度。
进一步的，若预警值≤当前力矩≤边界值，运动处理模块对运动指令的参数进行修改，进入预警模式，将修改后的运动指令发送至伺服电机驱动器，以使减低电机转速，避免碰撞；
若当前力矩＞边界值，运动处理模块对运动指令的参数进行修改，进入碰撞模式，将修改后的运动指令发送至伺服电机驱动器，以使电机停止，终止碰撞；
若当前力矩≤预警值，运动处理模块不对运动指令的参数进行修改，而直接将运动指令发送至伺服电机驱动器，正常执行运动指令。
进一步的，所述步骤S3中，所述预警值及边界值计算包括步骤：
S31)运动学习模块会记录每个关节的每个轨迹点的坐标点X以及对应的力矩值T，
设A为电机刮臂长，F为刮臂压力，M为刮臂总成自重，g为重力加速度,θ为玻璃倾角，μ为摩擦系数，α为安全系数，则：
T≈[(Mcc*g*cosθ+Fcc)*μ*Acc+(Mcp*g*cosθ*g+Fcp)*μ*Acp]*α(式1)；
S32)运动学习模块对每个关节每次运动的每个轨迹点进行不断学习，通过正态分布运算，为每个关节获得任意轨迹点的的实时力矩正态分布函数，根据正态分布函数得到正态分布函数图；
S33)运动处理模块根据设置的碰撞识别灵敏度参数计算碰撞预警值M和边界值K，则：
设预警参数为N；
S34)对最近一次的力矩值T进行误差运算，获得误差因子：ΔT＝|t-T|/T，则由式3、式4最终得：
发明的有益效果在于：本发明提供的用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法及装置，通过伺服电机驱动器为工业机器人控制器提供实时力矩数据及编码器数据，工业机器人控制器根据该实时力矩数据，先进行碰撞避免运算，通过运算结构判断执行下一运动指令是否造成碰撞或已经碰撞等碰撞情况，再根据碰撞情况对下一运动指令的参数进行修改，以使机器人执行机构在执行下一运动指令时，避免发生碰撞或减轻碰撞力度，如此，降低碰撞造成的损失。
【附图说明】
图1为本发明装置的结构方框图；
图2为本发明中力矩正态函数分布图；
图3为本发明方法的流程图；
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
参照图1所示，本发明揭示了一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的装置，它包括伺服电机驱动器及工业机器人驱动器，其中，伺服电机驱动器具有指令接口A、实时力矩接口A及编码器接口A；工业机器人控制器具有运动学习模块及运动处理模块，所述运动处理模块连接有指令接口B、实时力矩接口B及编码器接口B。
所述指令接口B与所述伺服电机驱动器的指令接口A信号连接，用于向所述伺服电机驱动器发送运动控制指令，以使伺服电机驱动器在驱动伺服电机执行运动指令。所述实时力矩接口B与所述伺服电机驱动器的实时力矩接口A信号连接，伺服电机驱动器通过实时力矩接口A为工业机器人控制器回传实时力矩数据；所述编码器接口B与所述伺服电机驱动器的编码器接口连接，伺服电机驱动器通过编码器接口A为工业机器人控制器回传实时编码器数据。
所述运动学习模块与所述运动处理模块连接，对机器人每个关节每次运动的每个轨迹点进行不断学习，记录每个关节的每个轨迹点的坐标点以及对应的力矩值，生成运动指令；所述运动处理模块接收所述伺服电机驱动器回传的实时力矩数据及编码器数据，计算当前力矩的预警值及边界值，并将当前力矩与所述预警值及边界值比较，通过比较结果判断是否可能发生碰撞或已经碰撞，在可能发生碰撞或已经碰撞情况下，通过修改运动指令已达到避免碰撞或减小碰撞。具体的，在可能出现碰撞时，运动处理模块通过修改当前准备发出的运动指令参数，对伺服电机驱动器进行减速，并发出即将碰撞提示；在已经出现碰撞时，运动处理模块对当前的运动指令进行冻结，同时对伺服电机驱动器进行停机，使碰撞不再加剧。
由上述可知，本发明的装置，通过伺服电机驱动器在工作过程中不断向控制器回传实时力矩数据和编码器数据，工业机器人控制器在发出当前运动指令前，先进行碰撞避免运算，将上次收到力矩数据和编码器数据分别同各自的模板做误差比较，误差值达到模板警戒线，则认为可能正在出现碰撞，工业机器人控制器通过修改当前准备发出的运动指令参数，对伺服电机驱动器进行减速，并发出即将碰撞提示；误差值超出模板边界线，则认为已经出现碰撞，工业机器人控制器对当前的运动指令进行冻结，同时对伺服驱动器进行停机，使碰撞不再加剧。由此，实现机器人在运行过程中避免发生碰撞或最大程度降低碰撞程度，减轻碰撞引发的事故，以降低碰撞造成的损失。
参照图3所示，本发明提供了一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法，工业机器人每完成一次完整的运动过程，工业机器人控制器中的运动学习模块会记录每个关节的每个轨迹点的坐标点X以及对应的力矩值T，而伺服电机驱动器在工作过程中不断向工业机器人控制器回传实时力矩数据和编码器数据，通过当前力矩数据及编码器数据预测下一次运动指令执行过程中，可能存在的碰撞情况，该方法具体包括如下步骤：
S1、系统启动；
S2、工业机器人控制器内的运动学习模块根据要求向运动处理模块发出运动指令，该运动指令在下文中称为待执行运动指令；
S3、工业机器人控制器内的运动处理模块接收伺服电机驱动器回传的实时力矩数据及编码器数据，并根据最近一次的力矩及编码器数据计算出现碰撞时的预警值及边界值，并将当前的力矩与所述预警值及边界值进行比较，获得碰撞发生情况；该步骤中，所述预警值及边界值计算包括步骤：
S31)运动学习模块会记录每个关节的每个轨迹点的坐标点X以及对应的力矩值T，
设A为电机刮臂长，F为刮臂压力，M为刮臂总成自重，g为重力加速度,θ为玻璃倾角，μ为摩擦系数，α为安全系数，则：
T≈[(Mcc*g*cosθ+Fcc)*μ*Acc+(Mcp*g*cosθ*g+Fcp)*μ*Acp]*α(式1)；
例如：电机刮臂长A(530mm,670mm)，刮臂压力F(8.8±0.9N，6.3±0.6N)，刮臂总成自重M(0.4kg，0.45kg)，重力加速度g(9.8N/kg)，玻璃倾角θ(30°)，μ为摩擦系数(0.4，1.2)，α为安全系数(1.2，1.5)，则：
T|max≈[(0.4*9.8*0.87+9.7)*1.65*0.53+(0.45*9.8*0.87+6.9)*1.65*0.67]*1.5＝35N·m。
S32)运动学习模块对每个关节每次运动的每个轨迹点进行不断学习，通过正态分布运算，为每个关节获得任意轨迹点的的实时力矩正态分布函数，根据正态分布函数得到正态分布函数图(见图2所示)；
S33)运动处理模块根据设置的碰撞识别灵敏度参数计算碰撞预警值M和边界值K，则：
设预警参数为N；
S34)对最近一次的力矩值T进行误差运算，获得误差因子：ΔT＝|t-T|/T，则由式3、式4最终得：
S4、工业机器人控制器内的运动处理模块根据碰撞发生情况，对来自运动学习模块的待执行运动指令的参数进行修改，以使机器人执行所述待执行运动指令时不发生碰撞或减小碰撞力度，具体的：
若预警值M≤当前力矩T≤边界值K，运动处理模块对待执行运动指令的参数进行修改，进入预警模式，将修改后的待执行运动指令发送至伺服电机驱动器，以使减低电机转速，避免碰撞；
若当前力矩T＞边界值K，运动处理模块对待执行运动指令的参数进行修改，进入碰撞模式，将修改后的待执行运动指令发送至伺服电机驱动器，以使电机停止，终止碰撞；
若当前力矩T≤预警值M，运动处理模块不对待执行运动指令的参数进行修改，而直接将待执行运动指令发送至伺服电机驱动器，正常执行待执行运动指令。
综上，本发明提供的用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法及装置，通过伺服电机驱动器为工业机器人控制器提供实时力矩数据及编码器数据，工业机器人控制器根据该实时力矩数据，先进行碰撞避免运算，通过运算结果判断执行下一运动指令是否造成碰撞或已经碰撞等碰撞情况，再根据碰撞情况对下一运动指令的参数进行修改，以使机器人执行机构在执行下一运动指令时，避免发生碰撞或减轻碰撞力度，如此，降低碰撞造成的损失。
以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制。在本发明的技术思想范畴内，可以出现各种变形及修改，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明所保护的范围。
Claims (4)
1.一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的装置，其特征在于，它包括：
伺服电机驱动器，具有指令接口A、实时力矩接口A及编码器接口A；
工业机器人控制器，具有运动学习模块及运动处理模块，所述运动处理模块连接有指令接口B、实时力矩接口B及编码器接口B；其中，所述指令接口B与所述伺服电机驱动器的指令接口A信号连接，用于向所述伺服电机驱动器发送运动控制指令；
所述实时力矩接口B与所述伺服电机驱动器的实时力矩接口A信号连接，伺服电机驱动器通过实时力矩接口A为工业机器人控制器回传实时力矩数据；
所述编码器接口B与所述伺服电机驱动器的编码器接口A连接，伺服电机驱动器通过编码器接口A为工业机器人控制器回传实时编码器数据；
所述运动学习模块与所述运动处理模块连接，对机器人每个关节每次运动的每个轨迹点进行不断学习，记录每个关节的每个轨迹点的坐标点以及对应的力矩值，生成运动指令；
所述运动处理模块接收所述伺服电机驱动器回传的实时力矩数据及编码器数据，计算当前力矩的预警值及边界值，并将当前力矩与所述预警值及边界值比较，通过比较结果判断是否可能发生碰撞或已经碰撞，在可能发生碰撞或已经碰撞情况下，通过修改运动指令以达到避免碰撞或减小碰撞。
2.根据权利要求1所述的用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的装置，其特征在于：在可能出现碰撞时，运动处理模块通过修改当前准备发出的运动指令参数，对伺服电机驱动器进行减速，并发出即将碰撞提示；在已经出现碰撞时，运动处理模块对当前的运动指令进行冻结，同时对伺服电机驱动器 进行停机，使碰撞不再加剧。
3.一种用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
S1、系统启动；
S2、工业机器人控制器内的运动学习模块根据要求向运动处理模块发出运动指令；
S3、工业机器人控制器内的运动处理模块接收伺服电机驱动器回传的实时力矩数据及编码器数据，并根据最近一次的力矩及编码器数据计算出现碰撞时的预警值及边界值，并将当前的力矩与所述预警值及边界值进行比较，获得碰撞发生情况；
S4、工业机器人控制器内的运动处理模块根据碰撞发生情况，对来自运动学习模块的运动指令的参数进行修改，以使机器人执行所述运动指令时不发生碰撞或减小碰撞力度。
4.根据权利要求3所述的用于工业机器人的能够自动识别及避免碰撞的方法，其特征在于：
若预警值≤当前力矩≤边界值，运动处理模块对运动指令的参数进行修改，进入预警模式，将修改后的运动指令发送至伺服电机驱动器，以减低电机转速，避免碰撞；
若当前力矩＞边界值，运动处理模块对运动指令的参数进行修改，进入碰撞模式，将修改后的运动指令发送至伺服电机驱动器，以使电机停止，终止碰撞；
若当前力矩＜预警值，运动处理模块不对运动指令的参数进行修改，而直接将运动指令发送至伺服电机驱动器，正常执行运动指令。
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yang Haolong Inventor after: Jiang Nan Inventor before: Yang Haolong |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: YANG HAOLONG TO: YANG HAOLONG JIANG NAN |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150130 Address after: 518000, Guangdong, Baoan District, Shenzhen province Xin'an street, Po Yuen South Road No. 201 high frequency West Bank Garden Phase 1 1B2203 Applicant after: FOUNTAIN OF LIFE SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD. Address before: 518000 Guangdong city of Shenzhen province Luohu District Hubei Bank Building 4 layer 728 to 7 Applicant before: FOUNTAIN OF LIFE SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD. |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160106 Address after: 100000 Beijing city Dongcheng District Xizhaosi Street 31 floor 1 2 0113 Applicant after: Medium green agriculture agricultural development Co., Ltd Address before: 518000, Guangdong, Baoan District, Shenzhen province Xin'an street, Po Yuen South Road No. 201 high frequency West Bank Garden Phase 1 1B2203 Applicant before: FOUNTAIN OF LIFE SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |