CN107238468A - 机械臂末端工具质心的辨识方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种机械臂末端工具质心的辨识方法、装置、设备及存储介质，所述方法包括：获取机械臂的末端工具的质量；控制所述末端关节在第一平面内匀速转动，获取所述末端工具的第一目标力矩，并通过预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量；控制所述目标关节在第二平面内匀速转动，获取所述末端工具的第二目标力矩，并通过预设的辨识模型，确定所述末端工具的质心在第三方向的分量。本发明实施例避免了现有技术中每当机器臂更换末端工具时均要通过繁琐的物理建模方式对末端工具质心进行辨识的过程，在精确确定末端工具的质心位置的同时，节省了时间，提高了质心确定效率。

Description

机械臂末端工具质心的辨识方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明实施例涉及工业机械臂技术领域，尤其涉及一种机械臂末端工具质心的辨识方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

工业机械臂是拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置，它可把任一物件或工具按空间位姿(位置和姿态)的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。

目前，机械臂末端放置末端工具时，通常需要对末端工具进行精确的物理建模，通过软件分析得到其相关参数。例如，物理建模获取末端工具的质心与质量，有助于机械臂末端操作末端工具能够准确把握末端工具的定位与力控。

但是，机械臂每当更换末端末端工具时，就需要对末端工具进行精确建模并获得其对应参数，效率较低。若不重新建模获取对应的参数，质心位置与质量参数的误差会对机械臂控制末端末端工具造成不良影响，如影响末端末端工具操作时定位的精确度与力度控制的准确性。.

发明内容

本发明实施例提供一种机械臂末端末端工具质心辨识方法、装置、设备及存储介质，能够避免现有技术中每当机器臂更换末端工具时均要通过繁琐的物理建模方式对末端工具质心进行辨识的过程。

第一方面，本发明实施例提供了一种机械臂末端工具质心的辨识方法，包括：

获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直；

控制所述末端关节在第一平面内匀速转动以带动所述末端工具在所述第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，确定所述末端工具的第一目标力矩；

将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量；

控制目标关节在第二平面内匀速转动以带动所述末端关节和所述末端工具在所述第二平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的第二目标力矩，其中，所述目标关节与所述末端关节相邻；

将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心在第三方向的分量。

第二方面，本发明实施例还提供了一种机械臂末端工具质心的辨识装置，包括：

质量获取模块，用于获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直；

第一驱动力矩获取模块，用于控制所述末端关节在第一平面内匀速转动以带动所述末端工具在所述第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，确定所述末端工具的第一目标力矩；

第一分量获取模块，用于将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量；

目标力矩获取模块，用于控制目标关节在第二平面内匀速转动以带动所述末端关节和所述末端工具在所述第二平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的第二目标力矩，其中，所述目标关节与所述末端关节相邻；

第二分量获取模块，用于将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心在第三方向的分量。

第三方面，本发明实施例还提供了一种设备，所述设备包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例所述的机械臂末端工具质心的辨识方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例所述的机械臂末端工具质心的辨识方法。

本发明实施例提供了一种机械臂末端工具质心辨识的技术方案，通过获取机械臂的末端工具的质量，在第一平面内，将末端工具的质量、第一预设角度以及第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量，通过在第二平面内，将末端工具的质量、第二预设角度以及第二目标力矩输入到预设的辨识模型，确定末端工具的质心在第三方向的分量，避免了现有技术中每当机器臂更换末端工具时均要通过繁琐的物理建模方式对末端工具质心进行辨识的过程，在精确确定末端工具的质心位置的同时，节省了时间，提高了质心确定效率。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种机械臂末端工具质心的辨识方法的流程图；

图2A是本发明实施例二中的一种机械臂末端工具质心的辨识方法的流程图；

图2B是本发明实施例二中的末端工具投影在第一工具坐标系中x₁y₁平面的示意图；

图2C是本发明实施例二中的末端工具投影在第二工具坐标系中y₂z₂平面的示意图；

图3是本发明实施例三中的一种机械臂末端工具质心的辨识装置的结构图；

图4是本发明实施例四中的一种设备的结构图。

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详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种机械臂末端工具质心的辨识方法的流程图，本实施例可适用于各种机械臂末端工具质心的辨识的情况，该方法可以由本发明实施例提供的机械臂末端工具质心的辨识装置来执行，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，该装置可集成在任何提供机械臂末端工具质心的辨识功能的设备中，例如可以是电脑。如图1所示，具体包括：

S110、获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直。

其中，机械臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，本实施例中的机械臂常指工业机械臂。工业机械臂特指拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置，例如可把任一物件或工具按空间位姿(位置和姿态)的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。末端工具为在机械臂末端法兰安装的用以执行不同工作内容的专用工具，如吸盘、机械手抓或者焊枪等。

具体的，在本实施例中，在机械臂未安装末端工具前，需要对末端工具的质量进行测量并记录，并调整机械臂的臂形以使机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直。将机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直有助于对机械臂的末端关节建立工具坐标系。

S120、控制所述末端关节在第一平面内匀速转动以带动所述末端工具在所述第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，确定所述末端工具的第一目标力矩。

其中，末端工具本身未设有电机，不能自主运动，而是通过末端关节内部安装的电机带动进行匀速转动。第一平面保证末端工具能够在二维平面内匀速转动，第一预设角度为末端工具初始位置与转动结束位置所转动的角度值，第一目标力矩只是用于克服末端工具的重力力矩。

具体的，末端关节通过末端法兰与末端工具物理相连，由于末端关节安装有电机，因此当末端关节的电机驱动末端关节在第一平面内工作时，能够带动末端工具在第一平面内进行转动，并且，第一预设角度的大小与第一目标力矩的值有关。因此，当末端工具保持在第一平面内转动第一预设角度时，可以获取当前角度相对应的第一目标力矩。

示例性的，确定所述末端工具的第一目标力矩，包括：获取所述末端关节的第一驱动力矩，以及获取所述末端关节于转动所述第一预设角度时对应的第一摩擦力矩与第一重力力矩；根据所述第一驱动力矩、所述第一摩擦力矩以及所述第一重力力矩以确定所述第一目标力矩。

其中，第一驱动力矩为末端关节的电机上电时，用于驱动末端关节以及末端关节带动末端工具在第一平面内匀速转动的力矩；第一摩擦力矩为当末端关节在第一平面内转动第一预设角度时，通过摩擦力学模型计算出的末端关节与相邻关节之间的摩擦力矩，例如若末端关节为n，那么相邻关节为n-1；第一重力力矩为末端关节在第一平面内转动第一预设角度时，克服末端关节自身重力的力矩。

具体的，末端工具的第一目标力矩为在第一平面内用于克服末端工具重力的力矩，由于末端工具的质心位置为未知，因此不能由重力乘以力臂的方式直接获取末端工具的重力矩。当末端关节带动末端工具运动时，末端关节的第一驱动力矩是可以准确获取的，并且，末端关节的第一驱动力矩包含了末端关节转动时克服自身的第一重力力矩以及克服与相邻关节之间的第一摩擦力矩，因此，末端工具的第一目标力矩可以由获取的第一驱动力矩减去第一重力力矩以及减去第一摩擦力矩而得。

S130、将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量。

其中，末端工具的质心为末端工具的质量中心，由于末端工具大多为非规则的几何形状，因此末端工具的质心并非其几何中心。第一方向和第二方向指的是三维坐标系中的任意两个方向，或者二维坐标系中的两个方向。通常末端工具质心的辨识指的是对质心位置进行辨识，因此，可以先通过末端工具的质量、第一预设角度以及第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量。

示例性的，所述辨识模型为根据所述末端工具的目标力矩与所述末端工具的质量、转动预设角度的关系所建立的模型。

具体的，目标力矩是改变末端工具原有运动状态的原因，包含但不限于末端工具在第一平面内的第一目标力矩与第二平面内的第二目标力矩。当末端工具在某一平面内匀速转动时，目标力矩在任意时刻需要克服的力矩为末端工具的重力矩。因此，辨识模式是根据末端工具的目标力矩与末端工具的质量、转动预设角度的关系所建立的模型。并且根据末端工具在不同转动预设角度时采集的驱动力矩(包含但不限于末端关节在第一平面内的第一驱动力矩与目标关节在第二平面内的第二驱动力矩)，即可确定末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量。

S140、控制目标关节在第二平面内匀速转动以带动所述末端关节和所述末端工具在所述第二平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的第二目标力矩。

其中，第二目标力矩与第一目标力矩类似，具体为末端工具在第二平面内转动时，用于克服末端工具重力的力矩。其中，所述目标关节与所述末端关节相邻，具体指的是目标关节可以是与末端关节直接物理连接的关节，也可以是与末端关节不直接物理连接的关节，例如，设定末端关节为n时，目标关节可以是n-1，目标关节也可以是n-2或者n-3等。

由于控制末端工具在第一平面内匀速转动只能确定末端工具的质心在两个方向上的分量，因此需要借助末端工具在第二平面内匀速转动，才能使得末端工具在第三方向上产生转动，并当末端工具在第二平面内转动第二预设角度时，确定末端工具的第二目标力矩。

需要说明的是，由于末端工具在第一平面转动时，初始位置发生变化，因此在末端工具于第二平面内转动前，将末端工具与末端关节回归至初始位置。并且，在末端工具在第二平面内匀速转动的过程中，应该保证末端关节与末端工具的相对位置不发生任何变化。

示例性的，确定所述末端工具的第二目标力矩，包括；获取所述目标关节的第二驱动力矩，以及获取所述目标关节于转动所述第二预设角度时对应的第二摩擦力矩与第二重力力矩；根据所述第二驱动力矩、所述第二摩擦力矩以及所述第二重力力矩以确定所述第二目标力矩。

其中，第二驱动力矩为驱动目标关节在第二平面内转动的驱动力，再由目标关节带动末端关节与末端工具在第二平面内匀速转送。第二驱动力矩与第一驱动力矩的类似，包含目光关节转动时克服自身的第二重力力矩以及克服与相邻关节之间的第二摩擦力矩，因此，末端工具的第二目标力矩可以由获取的第二驱动力矩减去第二重力力矩以及减去第二摩擦力矩而得。其中，相邻关节为与目标关节物理相连且远离末端工具一端的关节。例如，若目标关节为n-1时，那么第二摩擦力矩为目标关节n-1与相邻关节n-2之间的力矩，或目标关节为n-4时，那么第二摩擦力矩为目标关节n-4与相邻关节n-5之间的力矩，也即摩擦力矩为发生转动操作行为相关的两个关节之间的摩擦力。

由于第二驱动力矩包含了目标关节转动第二预设角度时对应的第二摩擦力第二重力力矩以及第二目标力矩。因此，当第二摩擦力矩可以通过摩擦力模型获得，第二重力力矩可以通过动力学模型获得的情况下，即可求出第二目标力矩。

需要说明的是，由于机械臂构型的原因，第一预设角度的取值范围为[-90°，90°]；第二预设角度限制的取值范围为[-80°，80°]，。

S150、将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心在第三方向的分量。

其中，末端工具的质心在第三方向的分量是保证末端工具与末端关节之间不发生位置变化的前提下，通过末端关节在第二平面内的匀速转动，改变末端工具质心在第三方向上的变化而求出的在第三方向上的变量。并且，第一方向、第二方向以及第三方向为第一工具坐标系中的任意轴方向。

需要说明的是，第一驱动力矩与第二驱动力矩可以通过力矩传感器检测而得；也可以检测驱动电流，并根据驱动电流计算第一驱动力矩与第二驱动力矩，或者还可以根据其他方法求出第一驱动力矩与第二驱动力矩。

本实施例通过获取机械臂的末端工具的质量，在第一平面内，将末端工具的质量、第一预设角度以及第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量，通过在第二平面内，将末端工具的质量、第二预设角度以及第二目标力矩输入到预设的辨识模型，确定末端工具的质心在第三方向的分量，避免了现有技术中每当机器臂更换末端工具时均要通过繁琐的物理建模方式对末端工具质心进行辨识的过程，在精确确定末端工具的质心位置的同时，节省了时间，提高了质心确定效率。

实施例二

图2A为本发明实施例二提供的一种机械臂末端工具质心的辨识方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上进行优化，提供了优化的所述将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量的处理方法，以及提供了将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心在第三方向的分量的处理方法，相应的：

S210、获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直。

S220、控制所述末端关节在第一平面内匀速转动以带动所述末端工具在所述第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，确定所述末端工具的第一目标力矩。

S230、基于所述末端关节建立第一工具坐标系，在所述末端关节在所述第一平面内匀速转动过程中，将所述末端工具投影于所述第一工具坐标系的x₁y₁平面内。

其中，设定所述第一工具坐标系的原点为所述末端关节的中心位置，所述第一工具坐标系的x₁轴沿重力方向，所述第一工具坐标系的y₁轴沿水平方向以及所述第一工具坐标系的z₁轴沿与所述x₁y₁平面垂直的方向。

由于末端关节的电机上电在第一平面内转动时，同时带动了末端工具在第一平面内匀速转动，因此将第一工具坐标系是基于末端关节建立的坐标系，且可以设定第一工具坐标系的原点为末端关节的中心位置，x₁轴沿重力方向，y₁轴沿水平方向以及z₁轴沿与所述x₁y₁平面垂直的方向。

需要说明的是，本实施例提供的x₁轴，y₁轴以及z₁轴的方向仅仅是一种示例，x₁轴，y₁轴以及z₁轴的方向还可以设定为其他方向，这里不做限定。另外，在末端工具在第一平面内匀速转动过程中，可以将末端工具投影于第一工具坐标系的x₁y₁平面内，也可以将末端工具投影于第一工具坐标系的y₁z₁平面内，还可以将末端工具投影于第一工具坐标系的x₁z₁平面内。由于将末端工具在第一工具坐标系中的某个平面进行投影只是用于简化计算，因此，本实施例对末端工具投影在第一工具坐标系的平面也不做限定。

S240、设定所述末端工具的质心在所述x₁y₁平面内投影与所述第一工具坐标系原点的连线为第一长度，设定所述第一长度与所述重力方向的夹角角度为第一角度。

其中，第一长度为末端工具的质心在x₁y₁平面内投影与第一工具坐标系原点的连线，第一角度为第一长度与重力方向的夹角角度。由于末端工具的质心位置是本实施例最终要辨识的未知量，因此，可以通过预设第一长度与第一角度来对末端工具的质心位置在x₁轴与y₁轴进行辨识。

S250、将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，以获得所述第一长度与所述第一角度。

具体的，末端工具在第一平面内转动的投影为x₁y₁平面，通过将末端工具的质量、第一预设角度以及第一目标力矩输入到预设的辨识模型，即可求出第一长度与第一角度的两个未知量。

S260、根据所述第一长度与所述第一角度确定所述末端工具的质心分别在x₁轴和y₁轴的分量。

具体的，通过由辨识模型求出的第一长度与第一角度，能够求出在第一工具坐标系中，末端工具的质心分别在x₁轴和y₁轴的分量。

S270、控制目标关节在第二平面内匀速转动以带动所述末端关节和所述末端工具在所述第二平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的第二目标力矩。

S280、基于所述目标关节建立第二工具坐标系，在所述目标关节在所述第二平面内匀速转动过程中，将所述末端工具投影于所述第二工具坐标系的y₂z₂平面。

其中，设定所述第二工具坐标系的原点为所述目标关节的中心位置，所述第二工具坐标系的y₂轴沿重力方向，所述第二坐标系的z₂轴沿水平方向以及所述第二坐标系的x₂轴沿与所述y₂z₂平面垂直的方向。

其中，由于带动末端关节与末端工具在第二平面内匀速转动的第二驱动力是由目标关节中的电机提供，因此将第二坐标系基于目标关节建立第二工具坐标系，且可以设定第二工具坐标系的原点为目标关节的中心位置，y₂轴为重力方向，z₂轴为水平方向以及x₂轴为与所述y₂z₂平面垂直的方向。本实施例控制末端工具在z₂轴方向上发生转动，用于通过预设的第二长度与第二角度求出末端工具的质心位置在z₂轴进行辨识，再将末端工具的质心位置在z₂轴的分量转换至z₁轴的分量。

需要说明的是，本实施例提供的x₂轴，y₂轴以及z₂轴的方向仅仅是一种示例，x₂轴，y₂轴以及z₂轴的方向还可以设定为其他方向，这里不做限定。另外，第二平面的投影平面与第一平面的投影平面密切相关。

例如，若第一平面的投影平面为x₁y₁平面，可以求出末端工具的质心位置在x₁轴与y₁轴方向的分量，那么，第二平面的投影平面需要求出末端工具的质心位置在z₁轴方向的分量，可以设定为y₂z₂平面或者x₂z₂平面。

S290、设定所述末端工具的质心在所述y₂z₂平面内投影与所述第二工具坐标系原点的连线为第二长度，设定所述第二长度与所述重力方向的夹角角度为第二角度。

其中，第二长度为末端工具的质心在y₂z₂平面内投影与第二工具坐标系原点的连线，第二角度为第一长度与重力方向的夹角角度。同理，由于末端工具的质心位置是本实施例最终要辨识的未知量，因此，可以通过预设第二长度与第二角度来对末端工具的质心位置在第二工具坐标系中的z₂轴进行辨识。

S2100、将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，以获得所述第二长度与所述第二角度。

具体的，末端工具在第二平面内转动的投影为y₂z₂平面，通过将末端工具的质量、第二预设角度以及第二目标力矩输入到预设的辨识模型，即可求出第二长度与第二角度的两个未知量。

S2110、根据所述第二长度与所述第二角度确定所述末端工具的质心在z₂轴的分量，并根据坐标系转换将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量。

需要说明的是，由于在y₂z₂平面内求出的末端工具的质心在z₂轴的分量是基于目标关节的第二工具坐标系，因此还需转换至第一工具坐标系才能对质心位置进行辨识，即将末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量。具体的，可以根据坐标系转换将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量，或者也可以根据所述第一工具坐标系的原点与所述第二工具坐标系的原点之间的距离，将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量。

图2B为末端工具投影在第一工具坐标系中x₁y₁平面的示意图(z₁轴为与x₁y₁平面垂直的方向，图2B中未示出)，O₁为第一工具坐标系原点，y₁为水平方向，x₁为重力方向。其中，P₁为末端工具在x₁y₁平面内投影的质心位置，为末端工具转动第一预设角度后的在x₁y₁平面内投影的质心位置；l₁为质心P₁与第一工具坐标系原点O₁的连线，即第一长度；γ₁为第一长度l ₁与重力方向x₁的角度，即第一角度；θ₁为第一预设角度。

由于辨识模型由末端工具的第一目标力矩等于克服末端工具的重力矩的原理而得，因此，将第一平面投影于x₁y₁平面的参数带入辨识模型为：

τ₁＝mgl₁sin(γ₁+θ₁)cosγ₁)-mgl₁cosγ₁+θ₁)sin(γ₁)

其中，τ₁为第一目标力矩，可以第一驱动力矩减去第一摩擦力矩、以及减去第一重力力矩而得。

具体推导过程为：

τ₁＝mgl₁sin(θ₁)

＝mgl₁sin(γ₁+θ₁-γ₁)

＝mgl₁sin(γ₁+θ₁)cosγ₁)-cos(γ₁+θ₁)sin(γ₁)

由上述第一平面投影于x₁y₁平面的参数带入的辨识模型可知，第一长度l ₁与第一角度γ₁为预设参数，即为未知量，因此，通过对末端工具转动不同第一预设角度时所计算的第一目标力矩进行采样，通过多组第一预设角度与第一驱动力矩的已知量可以求出第一长度l ₁与第一角度γ₁。可选的，计算第一长度l ₁与第一角度γ₁可以采用在线迭代最小二乘的数学运算方法。那么，末端工具的质心位置P₁在x₁y₁平面内的坐标可以使用l₁cosγ₁)，l₁sin(γ₁)进行表示，并且，在第一工具坐标系中，末端工具的质心P₁在x₁轴的分量为l₁cosγ₁)，末端工具的质心在y₁轴的分量为l₁sin(γ₁)。

图2C为末端工具投影在第二工具坐标系中y₂z₂平面的示意图(x₂轴为与y₂z₂平面垂直的方向，图2C中未示出)，O₂为第一工具坐标系原点，z₂为水平方向，y₂为重力方向。其中，P₂为末端工具在y₂z₂平面内投影的质心位置，为末端工具转动第二预设角度后的在y₂z₂平面内投影的质心位置；l₂为质心P₂与第一工具坐标系原点O₂的连线，即第二长度；γ₂为第二长度l ₂与重力方向y₂的角度，即第二角度；θ₂为第二预设角度。

由于辨识模型由末端工具的第二目标力矩等于克服末端工具的重力矩的原理而得，因此，将第二平面投影于y₂z₂平面的参数带入辨识模型为：

τ₂＝mgl₂sin(γ₂+θ₂)cosγ₂)-mgl₂cosγ₂+θ₂)sin(γ₂)

其中，τ₂为第二目标力矩，可以根据力矩检测器检测的第二驱动力矩减去第二摩擦力矩、以及减去第二重力力矩而得。

需要说明的是，第二平面投影于y₂z₂平面的辨识模型的推导过程与在第一平面投影于x₁y₁平面的辨识模型的推导过程相似，不再赘述。并且，再次通过对末端工具转动不同第二预设角度时所计算的第二目标力矩进行采样，通过多组第一预设角度与第二目标力矩即可求出第二长度l₂与第二角度γ₂。因此，在图2C中的P₂在z₂轴的分量为l₂sin(γ₂)。

可选的，根据坐标转换关系，将末端工具的质心P₂在z₂轴的分量转换为z₁轴的分量，即可得到末端工具的质心位置在同一工具坐标系中的辨识。

本实施例对末端工具的质心位置的辨识过程进行了详细的说明，提供了一种快速确定末端工具质心位置的方法，避免了现有技术中更换末端工具时，需要物理建模才能确定其质心位置的繁琐过程，提高了质心确定效率。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种机械臂末端工具质心的辨识装置的结构示意图，本实施例可适用于各种机械臂末端工具质心的辨识的情况，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，该装置可集成在任何提供机械臂末端工具质心的辨识功能的设备中，例如可以是电脑。如图3所示，具体包括：质量获取模块31、第一驱动力矩获取模块32、第一分量获取模块33、重力力矩获取模块34和第二分量获取模块35。

质量获取模块31，用于获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直；

第一驱动力矩获取模块32，用于控制所述末端关节在第一平面内匀速转动以带动所述末端工具在所述第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，确定所述末端工具的第一目标力矩；

第一分量获取模块33，用于将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量；

目标力矩获取模块34，用于控制目标关节在第二平面内匀速转动以带动所述末端关节和所述末端工具在所述第二平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的第二目标力矩，其中，所述目标关节与所述末端关节相邻；

第二分量获取模块35，用于将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心在第三方向的分量。

在上述实施例基础上，所述确定所述末端工具的第一目标力矩包括：获取所述末端关节的第一驱动力矩，以及获取所述末端关节于转动所述第一预设角度时对应的第一摩擦力矩与第一重力力矩；根据所述第一驱动力矩、所述第一摩擦力矩以及所述第一重力力矩以确定所述第一目标力矩；

相应的，确定所述末端工具的第二目标力矩，包括；获取所述目标关节的第二驱动力矩，以及获取所述目标关节于转动所述第二预设角度时对应的第二摩擦力矩与第二重力力矩；根据所述第二驱动力矩、所述第二摩擦力矩以及所述第二重力力矩以确定所述第二目标力矩。

在上述实施例基础上，所述第一分量获取模块33具体用于：基于所述末端关节建立第一工具坐标系，在所述末端关节在所述第一平面内匀速转动过程中，将所述末端工具投影于所述第一工具坐标系的x₁y₁平面内，其中，设定所述第一工具坐标系的原点为所述末端关节的中心位置，所述第一工具坐标系的x₁轴沿重力方向，所述第一工具坐标系的y₁轴沿水平方向以及所述第一工具坐标系的z₁轴沿与所述x₁y₁平面垂直的方向；设定所述末端工具的质心在所述x₁y₁平面内投影与所述第一工具坐标系原点的连线为第一长度，设定所述第一长度与所述重力方向的角度为第一角度；将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，以获得所述第一长度与所述第一角度；根据所述第一长度与所述第一角度确定所述末端工具的质心分别在x₁轴和y₁轴的分量。

在上述实施例基础上，所述第二分量获取模块35具体用于：基于所述目标关节建立第二工具坐标系，在所述目标关节在所述第二平面内匀速转动过程中，将所述末端工具投影于所述第二工具坐标系的y₂z₂平面，其中，设定所述第二工具坐标系的原点为所述目标关节的中心位置，所述第二工具坐标系的y₂轴沿重力方向，所述第二坐标系的z₂轴沿水平方向以及所述第二坐标系的x₂轴沿与所述y₂z₂平面垂直的方向；设定所述末端工具的质心在所述y₂z₂平面内投影与所述第二工具坐标系原点的连线为第二长度，设定所述第二长度与所述重力方向的角度为第二角度；将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，以获得所述第二长度与所述第二角度；根据所述第二长度与所述第二角度确定所述末端工具的质心在z₂轴的分量，并根据坐标系转换将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量。

在上述实施例基础上，所述根据坐标系转换将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量，还包括：根据所述第一工具坐标系的原点与所述第二工具坐标系的原点之间的距离，将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量。

在上述实施例基础上，所述辨识模型为根据所述末端工具的目标力矩与所述末端工具的质量、转动预设角度的关系所建立的模型。

在上述实施例基础上，所述第一预设角度的取值范围为[-90°，90°]，所述第二预设角度的取值范围为[-80°，80°]。

本发明实施例提供了一种机械臂末端工具质心的辨识装置，通过获取机械臂的末端工具的质量，在第一平面内，将末端工具的质量、第一预设角度以及第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量，通过在第二平面内，将末端工具的质量、第二预设角度以及第二目标力矩输入到预设的辨识模型，确定末端工具的质心在第三方向的分量，避免了现有技术中每当机器臂更换末端工具时均要通过繁琐的物理建模方式对末端工具质心进行辨识的过程，在精确确定末端工具的质心位置的同时，节省了时间，提高了质心确定效率。

实施例四

图4为本发明实施例四提供的一种设备的结构示意图。图4示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性设备12的框图。图4显示的设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，设备12以通用计算设备的形式表现。设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。

总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。

设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图4未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM,DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。

具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法：

获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直；

控制所述末端工具在第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，获取驱动所述末端工具的第一驱动力矩；

将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一驱动力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量；

控制与所述末端关节在第二平面内匀速转动，并当所述末端关节在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的目标力矩；

将所述末端工具的目标力矩、所述末端工具的质量以及所述第二预设角度输入到预设的辨识模型，确定所述末端工具的质心在第三方向的分量。

设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该设备12交互的设备通信，和/或与使得该设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的机械臂末端工具质心辨识的方法。

实施例五

本发明实施例五提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请所有发明实施例提供的传感器采集数据方法：

获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直；

控制所述末端工具在第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，获取驱动所述末端工具的第一驱动力矩；

将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一驱动力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量；

控制与所述末端关节在第二平面内匀速转动，并当所述末端关节在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的目标力矩；

将所述末端工具的目标力矩、所述末端工具的质量以及所述第二预设角度输入到预设的辨识模型，确定所述末端工具的质心在第三方向的分量。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种机械臂末端工具质心的辨识方法，其特征在于，包括：

获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直；

控制所述末端关节在第一平面内匀速转动以带动所述末端工具在所述第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，确定所述末端工具的第一目标力矩；

将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量；

控制目标关节在第二平面内匀速转动以带动所述末端关节和所述末端工具在所述第二平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的第二目标力矩，其中，所述目标关节与所述末端关节相邻；

将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心在第三方向的分量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述末端工具的第一目标力矩，包括：

获取所述末端关节的第一驱动力矩，以及获取所述末端关节于转动所述第一预设角度时对应的第一摩擦力矩与第一重力力矩；

根据所述第一驱动力矩、所述第一摩擦力矩以及所述第一重力力矩以确定所述第一目标力矩；

相应的，确定所述末端工具的第二目标力矩，包括；

获取所述目标关节的第二驱动力矩，以及获取所述目标关节于转动所述第二预设角度时对应的第二摩擦力矩与第二重力力矩；

根据所述第二驱动力矩、所述第二摩擦力矩以及所述第二重力力矩以确定所述第二目标力矩。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量，包括：

基于所述末端关节建立第一工具坐标系，在所述末端关节在所述第一平面内匀速转动过程中，将所述末端工具投影于所述第一工具坐标系的x₁y₁平面内，其中，设定所述第一工具坐标系的原点为所述末端关节的中心位置，所述第一工具坐标系的x₁轴沿重力方向，所述第一工具坐标系的y₁轴沿水平方向以及所述第一工具坐标系的z₁轴沿与所述x₁y₁平面垂直的方向；

设定所述末端工具的质心在所述x₁y₁平面内投影与所述第一工具坐标系原点的连线为第一长度，设定所述第一长度与所述重力方向的角度为第一角度；

将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，以获得所述第一长度与所述第一角度；

根据所述第一长度与所述第一角度确定所述末端工具的质心分别在x₁轴和y₁轴的分量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心在第三方向的分量，包括：

基于所述目标关节建立第二工具坐标系，在所述目标关节在所述第二平面内匀速转动过程中，将所述末端工具投影于所述第二工具坐标系的y₂z₂平面，其中，设定所述第二工具坐标系的原点为所述目标关节的中心位置，所述第二工具坐标系的y₂轴沿重力方向，所述第二坐标系的z₂轴沿水平方向以及所述第二坐标系的x₂轴沿与所述y₂z₂平面垂直的方向；

设定所述末端工具的质心在所述y₂z₂平面内投影与所述第二工具坐标系原点的连线为第二长度，设定所述第二长度与所述重力方向的角度为第二角度；

将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，以获得所述第二长度与所述第二角度；

根据所述第二长度与所述第二角度确定所述末端工具的质心在z₂轴的分量，并根据坐标系转换将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据坐标系转换将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量，还包括：

根据所述第一工具坐标系的原点与所述第二工具坐标系的原点之间的距离，将所述末端工具的质心在z₂轴的分量转换为在z₁轴的分量。

6.根据权利要求1、3或4所述的方法，其特征在于，所述辨识模型为根据所述末端工具的目标力矩与所述末端工具的质量、转动预设角度的关系所建立的模型。

7.根据权利要求1、3或4所述的方法，其特征在于，所述第一预设角度的取值范围为[-90°，90°]，所述第二预设角度的取值范围为[-80°，80°]。

8.一种机械臂末端工具质心的辨识装置，其特征在于，包括：

质量获取模块，用于获取机械臂的末端工具的质量，并调整机械臂的臂形以使所述机械臂的末端关节轴向与重力方向垂直；

第一驱动力矩获取模块，用于控制所述末端关节在第一平面内匀速转动以带动所述末端工具在所述第一平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第一平面内转动第一预设角度时，确定所述末端工具的第一目标力矩；

第一分量获取模块，用于将所述末端工具的质量、所述第一预设角度以及所述第一目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心分别在第一方向和第二方向的分量；

目标力矩获取模块，用于控制目标关节在第二平面内匀速转动以带动所述末端关节和所述末端工具在所述第二平面内匀速转动，并当所述末端工具在所述第二平面内转动第二预设角度时，确定所述末端工具的第二目标力矩，其中，所述目标关节与所述末端关节相邻；

第二分量获取模块，用于将所述末端工具的质量、所述第二预设角度以及所述第二目标力矩输入到预设的辨识模型，获得所述末端工具的质心在第三方向的分量。

9.一种设备，其特征在于，所述设备包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7中任一所述的机械臂末端工具质心的辨识方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的机械臂末端工具质心的辨识方法。