CN105643641A - 力传感器标定装置、标定方法及力控制机器人 - Google Patents

Abstract

一种力传感器标定装置及方法，包括信息采集模块、方程构建模块、参数计算模块、数据补偿模块及控制模块。信息采集模块采集六维力传感器实时检测的机器人在运动过程中与环境间的力数据；根据机器人几何模型，构建关于机器人位姿、力数据和需要标定的参数三者之间的关系方程；参数计算模块将方程构建模块构建的关系方程进行三次参数重组，求解出机器人参数值；数据补偿模块将所述机器人参数值从力数据中补偿出来，获得真实的机器人与环境间的力数据从而控制机器人运动。使用本发明提供的力控制机器人装置与力传感器标定方法，可以使所述工业机器人更加顺利的完成各类主动柔顺加工作业，扩大了工业机器人的应用范围及领域。

Description

力传感器标定装置、标定方法及力控制机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人应用领域，特别涉及一种力传感器标定装置、标定方法及力控制机器人。

背景技术

力控制即主动柔顺控制，是工业机器人控制领域一个重要的研究方向，是对位置控制机器人的进一步发展。目前研究领域内形成的力控制方案主要有三种：一是在机器人末端加装六维力传感器，通过此传感器来检测机器人末端与环境间接触力/力矩，从而控制工业机器人完成相应运动；二是在串联工业机器人各关节处加装单维力传感器，通过这些传感器测量每个关节受到的扭力，从而控制工业机器人完成相应运动；三是单纯利用电机电流反馈值，将各轴电流反馈值转换为反馈力信息，从而控制工业机器人完成相应运动。经分析与验证，第二种方法会减小机器人刚度，增加结构设计难度，不能够非常准确的描述末端接触力信息，第三种方法精度低，只适合做一些精度要求低的力控制作业，目前应用较为广泛且成熟的是第一种方法，即在机器人末端加装六维力传感器的方法。

通过加装力传感器，将机器人与外部物理环境的接触力/力矩信息测量出来，经过一系列转换计算，将该力/力矩信息转化为机器人的控制量，控制机器人完成相应动作。这种力控制的方式大大扩大了工业机器人的应用领域，如装配、切割、抛光、磨削、擦洗、去毛刺、研磨等领域。

针对以上情况，近年来机器人控制领域对工业机器人力控制的研究不断增加，带有力传感器的工业机器人成为研究领域的热点。但是，由力传感器测量出来的力数据中不仅包含机器人与环境的接触力/力矩，还包括末端执行器重力、传感器安装产生的张紧力和传感器零位漂移值，只有将这些附加的力/力矩信息排除掉，才能获得真正的机器人与环境接触力。

例如在第3412236号专利中公开了通过从由力测定构件检测的力减去重力及回转力矩所产生的外力来修正力的内容，但是，由力感测元件检测出的力信息不仅包含上述的力，还包括由传感器安装产生的张紧力和传感器零位漂移值。并且，在实际力控制应用当中还有两个量需要标定出来，即末端执行器重心位置、传感器坐标系与工业机器人六轴末端坐标系旋转角度，只有将这两个信息和上述的附加力信息准确的标定出来，才能够通过计算获得真实的机器人末端执行器与环境间接触力/力矩信息，最终实现精准的力控制加工作业。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出了一种能实现精准力控制的标定装置，该装置能够将末端执行器重心位置、传感器坐标系与工业机器人六轴末端坐标系旋转角度两个力数据标定出来，通过计算获得真实的机器人末端执行器与环境间接触力/力矩信息。

一种力传感器标定装置，包括：

信息采集模块，用于采集六维力传感器实时检测的机器人在运动过程中与环境间的力数据；

方程构建模块，用于根据机器人的几何模型，构建机器人位姿、所述力数据和需要标定的参数三者间的关系方程；

参数计算模块，用于求解所述关系方程，得到机器人参数值；

数据补偿模块，用于将所述机器人参数值从力数据中分离出来，获得真实的机器人与环境间的力数据；

控制模块，用于获取所述真实的机器人与环境间的力数据，以控制机器人运动。

优选的，力控制机器人末端执行器与环境间的力信息、末端执行器的重力、六维力传感器本身的零位漂移值。

一种力传感器标定方法，包括以下步骤：

信息采集模块采集六维力传感器实时检测的机器人在运动过程中与环境间的力数据；

方程构建模块根据机器人几何模型，构建关于机器人位姿、力数据和需要标定的参数三者之间的关系方程；

参数计算模块将方程构建模块构建的关系方程进行三次参数重组，求解出机器人参数值；

数据补偿模块将所述机器人参数值从力数据中补偿出来，获得真实的机器人与环境间的力数据；

控制模块获取真实的机器人与环境间的力数据，控制机器人运动。

优选的，机器人几何模型为工业机器人的运动学模型。

优选的，机器人参数值是通过求解最小二乘法的方式得到。

采用上述的装置与方法，将力控制过程中的多余力信息从传感器测得的原始数据中分离出来，获得真实的机器人与环境接触力信息，可以在机器人运动过程中动态获得逼近真实的机器人与环境间接触力信息，从而大大提高了工业现场的力控制过程精度。随着力控制机器人的应用越来越广泛，一些对力控制精度要求较高的工作场合需要精准的机器人与环境间接触力，本专利提供的力传感器标定方法使得力控制机器人能够胜任这些精度较高的应用场合(如力控制装配、打磨、去毛刺等应用场合)，本专利设计的力控制机器人与力传感器标定方法扩大了工业机器人的应用领域，使得工业机器人更进一步融入制造业。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明实施例一力传感器标定装置结构图。

图2为本发明实施例一力传感器标定装方法流程图。

图3为本发明实施例一力传感器测量值组成图。

图4为本发明实施例二力控制机器人结构示意图。

在图1至图4中包括有：

信息采集模块1

方程构建模块2

参数计算模块3

数据补偿模块4

控制模块5

力传感器测量得到的力数据31

张紧力32

传感器零位漂移值33

机器人末端执行器与工具的重力34

力控制机器人41

机器人控制器42

六维力传感器43

一末端执行器44

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，一种力传感器标定装置，包括：

信息采集模块1，用于采集六维力传感器实时检测的机器人在运动过程中与环境间的力数据。

方程构建模块2，用于根据机器人的几何模型，构建机器人位姿、力数据和需要标定的参数三者间的关系方程。

参数计算模块3，用于求解所述关系方程，得到机器人参数值。

数据补偿模块4，用于将所述机器人参数值从力数据中分离出来，获得真实的机器人与环境间的力数据。

控制模块5，用于获取所述真实的机器人与环境间的力数据，以控制机器人运动。

如图2所示，本实施例的力传感器标定装置，其控制方法包括如下步骤：

步骤一，信息采集模块1采集六维力传感器实时检测的机器人在运动过程中与环境间的力数据。

在理想条件下，六维力传感器测量到力数据信息为机器人末端执行器与环境间的接触力和力矩信息，然而在实际操作中，力传感器测量到的力信息不仅包含力控制机器人末端执行器与环境间的力信息，还包含了末端执行器的重力、六维力传感器本身的零位漂移值。

步骤二，方程构建模块2根据机器人的几何模型，构建关于机器人位姿、力数据和需要标定的参数三者之间的关系方程，其中需要标定的参数包括末端执行器重力与重心位置、传感器安装产生的张紧力和传感器零位漂移值。

本实施例中，机器人几何模型为工业机器人的运动学模型。利用此几何模型，结合空间坐标系的关系推导出机器人位姿、六维力传感器检测的力数据、需要标定出的参数三者间的关系方程。

设机器人末端姿态为

$R_6^0=\left[\begin{array}{ccc}{R}_{11}& R_{12}& R_{13}\\ R_{21}& R_{22}& R_{23}\\ R_{31}& R_{32}& R_{33}\end{array}\right]---\left(1\right)$

传感器测量值为^SF：

^SF＝[f_xf_yf_zτ_xτ_yτ_z](2)

末端执行器在传感器坐标系下的重心位置为P：

P＝[p_xp_yp_z](3)

传感器零位漂移值为F_d：

F_d＝[f_dxf_dyf_dzτ_dxτ_dyτ_dz](4)

假设G为末端执行器重力，当机器人各关节处于(0°、0°、0°、0°、-90°、0°)时，若机器人与环境间未接触，则该机器人姿态下重力作用在基坐标系下产生的力为⁰F_G：

⁰F_G＝[00-G000]^T(5)

假设θ为传感器坐标系与机器人六轴末端坐标系的旋转量，F_g为末端执行器重力在力传感器坐标系下引起的部分项，建立方程如下：

式(6)即为最终建立的标定方程，即机器人位姿、传感器测得的力数据、需要标定出的参数三者间的关系方程。

步骤三，参数计算模块3将方程构建模块2构建的关系方程进行三次参数重组，求解出机器人参数值。

具体的，将步骤二中的方程(3)、方程(1)和方程(2)、方程(4)和方程(5)和方程(6)分别进行三次参数重组，重组后利用最小二乘法求解出机器人参数值。本实施例中，机器人参数值包括传感器与机器人六轴末端偏转角、末端执行器的重力与重心位置、传感器的零位漂移值。事实上，在实际操作中，除了机器人参数值外，还包括末端执行器的重力、传感器本身的零点漂移值、传感器在安装过程中由于螺钉拧紧作用而产生的张紧力、机器人运动产生的惯性力等(如图3所示)，其中31代表力传感器测量得到的力数据，32代表力传感器安装过程中由于螺钉拧紧作用产生的张紧力，33代表传感器零位漂移值，34代表机器人末端执行器与工具的重力。由于在精密装配打磨过程中，机器人运动速度较慢，运动过程中产生的惯性力等动力学项可以忽略不计。

步骤四，数据补偿模块4将所述机器人参数值从力数据中补偿出来，获得真实的机器人与环境间的力数据。

在力传感器检测得到的力数据中动态补偿掉步骤三中获得的参数值，获取动态真实的机器人与环境间的接触力和力矩信息。

步骤五，控制模块5获取真实的机器人与环境间的力数据，控制机器人运动。

实施例二

如图4所示，在另一实施例中，一种力控制机器人41，一般为六轴串联机工业机器人，包括一机器人控制器42、一六维力传感器43、及一末端执行器44。所述机器人控制器包含有实施例一中所述的力传感器标定装置。

在使用时，六维力传感器43能够实时采集来自笛卡尔坐标系的三个方向的力和力矩，用于测量机器人与环境间的力数据。所述六维力传感器为圆柱形结构，安装在力控制机器人41与末端执行器44之间。末端执行器44为机器人工作时所用的工具。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种力传感器标定装置，其特征在于，包括：

信息采集模块，用于采集六维力传感器实时检测的机器人在运动过程中与环境间的力数据；

方程构建模块，用于根据机器人的几何模型，构建机器人位姿、所述力数据和需要标定的参数三者间的关系方程；

参数计算模块，用于求解所述关系方程，得到机器人参数值；

数据补偿模块，用于将所述机器人参数值从力数据中分离出来，获得真实的机器人与环境间的力数据；

控制模块，用于获取所述真实的机器人与环境间的力数据，以控制机器人运动。

2.如权利要求1所述的一种力传感器标定装置，其特征在于，运动过程中与环境间的力数据包括：力控制机器人末端执行器与环境间的力信息、末端执行器的重力、六维力传感器本身的零位漂移值。

3.一种力传感器标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

信息采集模块采集六维力传感器实时检测的机器人在运动过程中与环境间的力数据；

方程构建模块根据机器人几何模型，构建关于机器人位姿、力数据和需要标定的参数三者之间的关系方程，需要标定的参数包括末端执行器重力与重心位置、传感器安装产生的张紧力和传感器零位漂移值；

参数计算模块将方程构建模块构建的关系方程进行三次参数重组，求解出机器人参数值；

数据补偿模块将所述机器人参数值从力数据中补偿出来，获得真实的机器人与环境间的力数据；

控制模块获取真实的机器人与环境间的力数据，控制机器人运动。

4.如权利要求3所述的一种力传感器标定方法，其特征在于，所述机器人几何模型为工业机器人的运动学模型。

5.如权利要求3所述的一种力传感器标定方法，其特征在于，所述机器人参数值是通过求解最小二乘法的方式得到。

6.一种力控制机器人，其特征在于，所述力控制机器人包括一机器人控制器，所述机器人控制器包含有权利要求1～2任意一项所述的力传感器标定装置。

7.如权利要求6所述的力控制机器人，其特征在于，所述力控制机器人还包括六维力传感器、及末端执行器；所述六维力传感器用于实时采集来自笛卡尔坐标系的三个方向的力和力矩，测量机器人与环境间的力数据；末端执行器为力控制机器人工作时所用的工具。

8.如权利要求7所述的力控制机器人，其特征在于，所述六维力传感器为圆柱形结构，安装在力控制机器人与末端执行器之间。