CN108381529B - 一种工业机械臂的人机协作示教方法 - Google Patents

一种工业机械臂的人机协作示教方法 Download PDF

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CN108381529B CN201810521096.4A CN201810521096A CN108381529B CN 108381529 B CN108381529 B CN 108381529B CN 201810521096 A CN201810521096 A CN 201810521096A CN 108381529 B CN108381529 B CN 108381529B
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Abstract

本发明公开了一种工业机械臂的人机协作示教方法，该方法包括：利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂处于静力平衡状态；实时计算期望关节力矩与关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值，并当关节力矩偏差值大于设定阈值时按照关节转角伺服控制方式规划机械臂的动作；根据机械臂从静止状态到转动过程中的转动方向及转动速度，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的参数对应的补偿方式，对机械臂转动过程中的摩擦力补偿。因此，本发明提供的示教方法能够在线辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据此参数对应的补偿方式进行补偿，具备摩擦力在线自适应调整能力。

Description

一种工业机械臂的人机协作示教方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种工业机械臂的人机协作示教方法。
背景技术
人机协作型机械臂是指能够与人在生产线上共享工作区域的机器人。人机协作机械臂除了具有一般工业机械臂的功能以外，还能够感知人与机械臂之间的物理接触，并对人机接触做出合适的响应，实现人与机械臂的协同作业，有助于扩大机械臂的应用范围，特别是应用于产品线更替周期短的应用场景中。传统的机械臂示教方法，包括离线编程示教或者手操器现场示教方法，此方法不仅需要操作人员具备机器人领域的专业技术，而且示教方式不直观，存在现场操作难度大耗时长的显著缺点，限制了工业机械臂在人机协作应用领域的使用。
现有的机械臂示教方法包括机器人在笛卡尔空间的人机协作示教方法和在位置控制模式下拖动示教方法。机器人在笛卡尔空间的人机协作示教方法需要使用者操纵机械臂上特定位置布置的传感器，仅能实现机械臂末端的示教，不能对机械臂关节姿态进行进一步调节。在位置控制模式下拖动示教方法不具备调整适应能力，存在激发机械臂振动的风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有摩擦力模型自适应修正功能的工业机械臂人机协作示教方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种工业机械臂的人机协作示教方法，所述人机协作示教方法包括：
利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将所述关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂处于静力平衡状态；所述关节力矩命令值为所述关节力矩控制器在PD控制率作用下对期望关节力矩、期望关节转速和期望关节转角三个通道同时进行控制时所需要的力矩值；所述期望关节力矩是采用机械臂关节逆动力学模型计算获取的；所述机械臂关节逆动力学模型为结合惯性力、科氏力、重力、以及非线性摩擦力的力矩计算模型；所述非线性摩擦力包括静摩擦力、线性粘性摩擦力和非线性粘性摩擦力；
实时计算所述期望关节力矩与所述关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值，并当所述关节力矩偏差值大于设定阈值时按照关节转角伺服控制方式规划机械臂的动作；所述关节转角伺服控制方式为：
Figure BDA0001674823170000021
其中，newq为期望关节转角；oldq为关节当前转角；Kq为关节灵敏度系数；qmin为关节最小转角；qmax为关节最大转角；eτ为关节力矩偏差值；
根据机械臂从静止状态到转动过程中的关节转动方向以及关节转动速度，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述非线性关节摩擦力模型参数包括：关节正转方向静摩擦力、关节反转方向静摩擦力、关节正转方向线性粘性摩擦系数、关节反转方向线性粘性摩擦系数、关节正转方向非线性粘性摩擦系数、关节反转方向非线性粘性摩擦系数。
可选的，所述机械臂关节逆动力学模型为：τd＝τI+τC+τG+τf；其中，τd为期望关节力矩；
Figure BDA0001674823170000022
为克服机械臂惯性力作用的关节力矩分量；M表示机械臂的质量矩阵；
Figure BDA0001674823170000023
是关节角加速度；
Figure BDA0001674823170000024
为克服机械臂科氏力作用的关节力矩分量；q为关节转角，由关节位置编码器测量得到；
Figure BDA0001674823170000025
为关节转速，由关节速度编码器测量得到；C表示机械臂的科氏力矩阵；τG为克服机械臂重力作用的关节力矩分量；τf为克服机械臂非线性摩擦力作用的关节力矩分量；τf是采用非线性关节摩擦力模型计算获取的。
可选的，所述非线性关节摩擦力模型为：
Figure BDA0001674823170000031
其中，
Figure BDA0001674823170000032
为关节正转方向静摩擦力；
Figure BDA0001674823170000033
为关节反转方向静摩擦力；f1 +为关节正转方向线性粘性摩擦系数；f1 -为关节反转方向线性粘性摩擦系数；
Figure BDA0001674823170000034
为关节正转方向非线性粘性摩擦系数；
Figure BDA0001674823170000035
为关节反转方向非线性粘性摩擦系数。
可选的，所述利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，具体包括：
依据PD控制率，按照下式计算关节力矩命令值；所述关节力矩命令值的计算公式为：
Figure BDA0001674823170000036
其中，eq＝q-qd为关节转角偏差反馈；qd为关节转角命令值；
Figure BDA0001674823170000037
为关节转速偏差反馈；
Figure BDA0001674823170000038
为关节转速命令值；Kp为关节转角偏差控制增益；KD为关节转角偏差微分控制增益。
可选的，根据机械臂从静止状态到转动过程中的关节转动方向以及关节转动速度，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿，具体包括：
当机械臂的关节转角位置从静止状态朝正转方向转动且关节转速小于关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向静摩擦力；所述关节正转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于正转关节力矩偏差阈值时，采用
Figure BDA0001674823170000039
对所述关节正转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节正转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；其中
Figure BDA00016748231700000310
为
Figure BDA00016748231700000311
修正前的值；
Figure BDA00016748231700000312
为
Figure BDA0001674823170000041
修正后的值；
Figure BDA0001674823170000042
为所述关节力矩偏差值的平均值；
当机械臂的关节转角位置从静止状态朝反转方向转动且关节转速小于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向静摩擦力；所述关节反转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值，且所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值大于反转关节力矩偏差阈值时，采用
Figure BDA0001674823170000043
对所述关节反转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节反转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；其中
Figure BDA0001674823170000044
为
Figure BDA0001674823170000045
修正前的值；
Figure BDA0001674823170000046
为
Figure BDA0001674823170000047
修正后的值；
Figure BDA0001674823170000048
为所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值；
当机械臂的关节转角位置从静止状态朝正转方向转动且关节转速大于等于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向线性粘性摩擦系数和关节正转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于所述正转关节力矩偏差阈值时，采用最小二乘方法计算所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数，并根据计算获取的所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数的计算公式为：
Figure BDA0001674823170000049
其中，newf1 +和
Figure BDA00016748231700000410
是更新后的关节正转方向线性粘性摩擦系数和更新后的关节正转方向非线性粘性摩擦系数，oldτf是由更新前的非线性关节摩擦力模型计算的克服机械臂非线性摩擦力的关节力矩分量；
Figure BDA0001674823170000051
为关节正转方向静摩擦力在修正前的值；
当机械臂的关节转角位置从静止状态朝反转方向转动且关节转速大于等于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向线性粘性摩擦系数和关节反转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于所述反转关节力矩偏差阈值时，采用最小二乘方法计算所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数，并根据计算获取的所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数的计算公式为：其中，newf1 -和
Figure BDA0001674823170000053
是更新后的关节正转方向线性粘性摩擦系数和更新后的关节正转方向非线性粘性摩擦系数；
Figure BDA0001674823170000054
为关节反转方向静摩擦力在修正前的值。
可选的，在利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值之前，所述人机协作示教方法还包括：
对机械臂关节逆动力学模型和非线性关节摩擦力模型中的参数进行初始化，并启动机械臂协作示教开始模式。
可选的，所述机械臂协作示教开始模式为开启机械臂，释放机械臂抱闸装置的模式。
可选的，在根据确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿之后，所述人机协作示教方法还包括：
当机械臂被操作者牵引到预期位置时，记录机械臂的位姿和关节转角，并向操作者询问示教是否完成；
若未完成，返回利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值步骤，等待操作者继续牵引机械臂；
若已完成，执行人机交互示教结束模式。
可选的，所述人机交互示教结束模式为关闭机械臂抱闸装置，机械臂停机，保存机械臂非线性关节摩擦力模型参数值的模式。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种工业机械臂的人机协作示教方法，该方法包括：利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂处于静力平衡状态；实时计算期望关节力矩与关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值，并当关节力矩偏差值大于设定阈值时按照关节转角伺服控制方式规划机械臂的动作；根据机械臂从静止状态到转动过程中的关节转动方向以及关节转动速度，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式，对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿。因此，本发明提供的示教方法，无需配置力传感器，能够在线辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据此参数对应的补偿方式进行摩擦力补偿，实现了摩擦力模型自适应修正功能，提高机械臂的示教精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例工业机械臂人机协作示教方法的流程示意图；
图2为本发明工业机械臂人机协作示教方法的控制器框架图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种具有摩擦力模型自适应修正功能的工业机械臂人机协作示教方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
人机协作示教技术通过工人直接接触工业机械臂的本体，利用人机间物理接触，以直观方式对机器人应用任务进行示教，具有无需编程的优点，可以显著降低对操作人员的要求，大幅缩短工业机器人部署时间。
图1为本发明实施例工业机械臂人机协作示教方法的流程示意图；图2为本发明工业机械臂人机协作示教方法的控制器框架图。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的人机协作示教方法包括如下步骤：
步骤101：对机械臂关节逆动力学模型和非线性关节摩擦力模型中的参数进行初始化，并启动机械臂协作示教开始模式。所述机械臂协作示教开始模式为开启机械臂，释放机械臂抱闸装置的模式。
步骤102：利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将所述关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂处于静力平衡状态；所述关节力矩命令值为所述关节力矩控制器在PD控制率作用下对期望关节力矩、期望关节转速和期望关节转角三个通道同时进行控制时所需要的力矩值；所述期望关节力矩是采用机械臂关节逆动力学模型计算获取的；所述机械臂关节逆动力学模型为结合惯性力、科氏力、重力、以及非线性摩擦力的力矩计算模型；所述非线性摩擦力包括静摩擦力、线性粘性摩擦力和非线性粘性摩擦力。
所述机械臂关节逆动力学模型为：τd＝τI+τC+τG+τf(1)；其中，τd为期望关节力矩；
Figure BDA0001674823170000071
为克服机械臂惯性力作用的关节力矩分量；M表示机械臂的质量矩阵；
Figure BDA0001674823170000072
是关节角加速度；
Figure BDA0001674823170000073
为克服机械臂科氏力作用的关节力矩分量；q为关节转角，由关节位置编码器测量得到；
Figure BDA0001674823170000074
为关节转速，由关节速度编码器测量得到；C表示机械臂的科氏力矩阵；τG为克服机械臂重力作用的关节力矩分量；τf为克服机械臂非线性摩擦力作用的关节力矩分量；τf是采用非线性关节摩擦力模型计算获取的。
非线性关节摩擦力模型为：
Figure BDA0001674823170000081
其中，
Figure BDA0001674823170000082
为关节正转方向静摩擦力；
Figure BDA0001674823170000083
为关节反转方向静摩擦力；f1 +为关节正转方向线性粘性摩擦系数；f1 -为关节反转方向线性粘性摩擦系数；
Figure BDA0001674823170000084
为关节正转方向非线性粘性摩擦系数；
Figure BDA0001674823170000085
为关节反转方向非线性粘性摩擦系数。
依据PD控制率，按照公式(3)计算关节力矩命令值；所述公式(3)为：
Figure BDA0001674823170000086
其中，eq＝q-qd为关节转角偏差反馈；qd为关节转角命令值；
Figure BDA0001674823170000087
为关节转速偏差反馈；
Figure BDA0001674823170000088
为关节转速命令值；Kp为关节转角偏差控制增益；KD为关节转角偏差微分控制增益。
步骤103：实时计算所述期望关节力矩与所述关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值，并当所述关节力矩偏差值大于设定阈值时按照关节转角伺服控制方式规划机械臂的动作。具体为：当操作人员没有触碰机械臂时，机械臂在所述关节力矩命令值的控制下达到静力平衡状态；当操作人员牵引机械臂时，根据所述期望关节力矩与所述关节力矩命令值之间的偏差，按照线性顺应策略规划机械臂关节动作，采用基于关节转角伺服控制方式实现关节动作，避免在位置伺服和力矩伺服控制模式之间切换，避免引起机械臂震颤。所述关节转角伺服控制方式为：
Figure BDA0001674823170000089
其中，newq为期望关节转角；oldq为关节当前转角；Kq为关节灵敏度系数；qmin为关节最小转角；qmax为关节最大转角；eτ为关节力矩偏差值。
步骤104：根据机械臂从静止状态到转动过程中的关节转动方向以及关节转动速度，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述非线性关节摩擦力模型参数包括：关节正转方向静摩擦力、关节反转方向静摩擦力、关节正转方向线性粘性摩擦系数、关节反转方向线性粘性摩擦系数、关节正转方向非线性粘性摩擦系数、关节反转方向非线性粘性摩擦系数。
步骤105：当机械臂被操作者牵引到预期位置时，记录机械臂的位姿和关节转角。
步骤106：向操作者询问示教是否完成。若未完成则执行步骤107；若完成执行步骤108。
步骤107：返回步骤102，等待操作者继续牵引机械臂。
步骤108：执行人机交互示教结束模式。所述人机交互示教结束模式为关闭机械臂抱闸装置，机械臂停机，保存机械臂非线性关节摩擦力模型参数值的模式。
步骤104是根据静摩擦力、线性粘性摩擦力、非线性粘性摩擦力不同的特征，以及关节正转和关节反转的摩擦力特征不同，分别对关节正转方向静摩擦力、关节反转方向静摩擦力、关节正转方向粘性摩擦系数、关节反转方向粘性摩擦系数、关节正转方向非线性粘性摩擦系数、关节反转方向非线性粘性摩擦系数进行辨识，并根据相应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿。辨识时所依据的机械臂运动状态参数包括：期望关节力矩τd和关节力矩命令值τin之间的偏差
Figure BDA0001674823170000091
关节转角q、关节转速
Figure BDA0001674823170000092
关节转角偏差反馈eq、关节转速偏差反馈
Figure BDA0001674823170000093
具体的辨识方法和步骤如下：
当机械臂的关节转角位置q0从静止状态朝正转方向转动且关节转速
Figure BDA0001674823170000094
小于关节转速阈值
Figure BDA0001674823170000095
时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向静摩擦力；所述关节正转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值eτ，并计算所述关节力矩偏差值eτ的平均值
Figure BDA0001674823170000096
且当所述关节力矩偏差值的平均值
Figure BDA0001674823170000101
大于正转关节力矩偏差阈值
Figure BDA0001674823170000102
时，采用
Figure BDA0001674823170000103
对所述关节正转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节正转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；其中
Figure BDA0001674823170000104
为
Figure BDA0001674823170000105
修正前的值；
Figure BDA0001674823170000106
为
Figure BDA0001674823170000107
修正后的值；
Figure BDA0001674823170000108
为所述关节力矩偏差值的平均值。
当机械臂的关节转角位置q0从静止状态朝反转方向转动且关节转速
Figure BDA0001674823170000109
小于关节转速阈值
Figure BDA00016748231700001010
时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向静摩擦力；所述关节反转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值eτ，并计算所述关节力矩偏差值eτ的绝对值的平均值
Figure BDA00016748231700001011
且所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值
Figure BDA00016748231700001012
大于反转关节力矩偏差阈值
Figure BDA00016748231700001013
时，采用
Figure BDA00016748231700001014
对所述关节反转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节反转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；其中
Figure BDA00016748231700001015
为
Figure BDA00016748231700001016
修正前的值；
Figure BDA00016748231700001017
为
Figure BDA00016748231700001018
修正后的值；
Figure BDA00016748231700001019
为所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值。
当机械臂的关节转角位置q0从静止状态朝正转方向转动且关节转速
Figure BDA00016748231700001020
大于关节转速阈值
Figure BDA00016748231700001021
时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向线性粘性摩擦系数和关节正转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值eτ，并计算所述关节力矩偏差值的平均值
Figure BDA00016748231700001022
且当所述关节力矩偏差值的平均值
Figure BDA00016748231700001023
大于所述正转关节力矩偏差阈值
Figure BDA00016748231700001024
时，采用最小二乘方法计算所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数，并根据计算获取的所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数的计算公式为：
Figure BDA0001674823170000111
其中，newf1 +和
Figure BDA0001674823170000112
是更新后的关节正转方向线性粘性摩擦系数和更新后的关节正转方向非线性粘性摩擦系数，oldτf是由更新前的非线性关节摩擦力模型计算的克服机械臂非线性摩擦力的关节力矩分量；
Figure BDA0001674823170000113
为关节正转方向静摩擦力在修正前的值。
当机械臂的关节转角位置q0从静止状态朝反转方向转动且关节转速
Figure BDA0001674823170000114
大于关节转速阈值
Figure BDA0001674823170000115
时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向线性粘性摩擦系数和关节反转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值eτ，并计算所述关节力矩偏差值eτ的平均值
Figure BDA0001674823170000116
且当所述关节力矩偏差值的平均值大于所述反转关节力矩偏差阈值
Figure BDA0001674823170000117
时，采用最小二乘方法计算所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数，并根据计算获取的所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数的计算公式为：
Figure BDA0001674823170000118
其中，newf1 -和
Figure BDA0001674823170000119
是更新后的关节正转方向线性粘性摩擦系数和更新后的关节正转方向非线性粘性摩擦系数；
Figure BDA00016748231700001110
为关节反转方向静摩擦力在修正前的值。
步骤104提供的辨识方法能够实现对非线性关节摩擦力模型参数变化的自适应控制，可以避免机械臂本体、环境温度变化导致的摩擦力欠补偿或者过补偿问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用的人机协作示教方法，无需配置力传感器，成本低，可靠性高。
(2)采用的摩擦力在线辨识方法，可以自动辨识机械臂关节摩擦力模型，保证牵引示教过程中机械臂始终具有良好的顺应性和一致性。
(3)采用的非线性摩擦力模型能够描述关节的静摩擦力、粘性摩擦力的一阶项和二阶项，在机械臂温度变化、关节磨损等情况发生时，仍然能够对关节摩擦力进行很好的描述，不会发生摩擦力欠补偿或过补偿问题，能够有效提高机械臂的示教精度，尤其是小牵引力时的示教精度，而且不会出现误动作。
(4)采用关节转角位置作为关节运动的控制方式，可以保证机械臂的运动具有很高的安全性，不会出现飞车、过限位等危险情况，有利于保证操作者的安全。
本发明提供的人机协作示教方法是一种通用的牵引示教控制方法，还可以应用于其他类型机械臂，包括四轴关节机械臂、SCARA机械臂等。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种工业机械臂的人机协作示教方法，其特征在于，所述人机协作示教方法包括：
利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将所述关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂处于静力平衡状态；所述关节力矩命令值为所述关节力矩控制器在PD控制率作用下对期望关节力矩、期望关节转速和期望关节转角三个通道同时进行控制时所需要的力矩值；所述期望关节力矩是采用机械臂关节逆动力学模型计算获取的；所述机械臂关节逆动力学模型为结合惯性力、科氏力、重力、以及非线性摩擦力的力矩计算模型；所述非线性摩擦力包括静摩擦力、线性粘性摩擦力和非线性粘性摩擦力；所述机械臂关节逆动力学模型为：τd＝τI+τC+τG+τf；其中，τd为期望关节力矩；
Figure FDA0002297193900000011
为克服机械臂惯性力作用的关节力矩分量；M表示机械臂的质量矩阵；
Figure FDA0002297193900000012
是关节角加速度；
Figure FDA0002297193900000013
为克服机械臂科氏力作用的关节力矩分量；q为关节转角，由关节位置编码器测量得到；
Figure FDA0002297193900000014
为关节转速，由关节速度编码器测量得到；C表示机械臂的科氏力矩阵；τG为克服机械臂重力作用的关节力矩分量；τf为克服机械臂非线性摩擦力作用的关节力矩分量；τf是采用非线性关节摩擦力模型计算获取的；
实时计算所述期望关节力矩与所述关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值，并当所述关节力矩偏差值大于设定阈值时按照关节转角伺服控制方式规划机械臂的动作；所述关节转角伺服控制方式为：
Figure FDA0002297193900000021
；其中，newq为期望关节转角；oldq为关节当前转角；Kq为关节灵敏度系数；qmin为关节最小转角；qmax为关节最大转角；eτ为关节力矩偏差值；
根据机械臂从静止状态到转动过程中的关节转动方向以及关节转动速度，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述非线性关节摩擦力模型为：
Figure FDA0002297193900000022
其中，
Figure FDA0002297193900000023
为关节正转方向静摩擦力；
Figure FDA0002297193900000024
为关节反转方向静摩擦力；f1 +为关节正转方向线性粘性摩擦系数；f1 -为关节反转方向线性粘性摩擦系数；
Figure FDA0002297193900000025
为关节正转方向非线性粘性摩擦系数；
Figure FDA0002297193900000026
为关节反转方向非线性粘性摩擦系数；所述非线性关节摩擦力模型参数包括：关节正转方向静摩擦力、关节反转方向静摩擦力、关节正转方向线性粘性摩擦系数、关节反转方向线性粘性摩擦系数、关节正转方向非线性粘性摩擦系数、关节反转方向非线性粘性摩擦系数。
2.根据权利要求1所述的工业机械臂的人机协作示教方法，其特征在于，所述利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，具体包括：
依据PD控制率，按照下式计算关节力矩命令值；所述关节力矩命令值的计算公式为：
Figure FDA0002297193900000031
其中，eq＝q-qd为关节转角偏差反馈；qd为关节转角命令值；
Figure FDA0002297193900000032
为关节转速偏差反馈；
Figure FDA0002297193900000033
为关节转速命令值；Kp为关节转角偏差控制增益；KD为关节转角偏差微分控制增益。
3.根据权利要求2所述的工业机械臂的人机协作示教方法，其特征在于，根据机械臂从静止状态到转动过程中的关节转动方向以及关节转动速度，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿，具体包括：
当机械臂的关节转角位置从静止状态朝正转方向转动且关节转速小于关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向静摩擦力；所述关节正转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于正转关节力矩偏差阈值时，采用
Figure FDA0002297193900000034
对所述关节正转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节正转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；其中
Figure FDA0002297193900000035
为
Figure FDA0002297193900000036
修正前的值；
Figure FDA0002297193900000037
为
Figure FDA0002297193900000038
修正后的值；
Figure FDA0002297193900000039
为所述关节力矩偏差值的平均值；
当机械臂的关节转角位置从静止状态朝反转方向转动且关节转速小于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向静摩擦力；所述关节反转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值，且所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值大于反转关节力矩偏差阈值时，采用
Figure FDA0002297193900000041
对所述关节反转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节反转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；其中
Figure FDA0002297193900000042
为
Figure FDA0002297193900000043
修正前的值；
Figure FDA0002297193900000044
为
Figure FDA0002297193900000045
修正后的值；
Figure FDA0002297193900000046
为所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值；
当机械臂的关节转角位置从静止状态朝正转方向转动且关节转速大于等于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向线性粘性摩擦系数和关节正转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于所述正转关节力矩偏差阈值时，采用最小二乘方法计算所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数，并根据计算获取的所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数的计算公式为：
Figure FDA0002297193900000047
其中，newf1 +和
Figure FDA0002297193900000048
是更新后的关节正转方向线性粘性摩擦系数和更新后的关节正转方向非线性粘性摩擦系数，oldτf是由更新前的非线性关节摩擦力模型计算的克服机械臂非线性摩擦力的关节力矩分量；
Figure FDA0002297193900000049
为关节正转方向静摩擦力在修正前的值；
当机械臂的关节转角位置从静止状态朝反转方向转动且关节转速大于等于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向线性粘性摩擦系数和关节反转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于所述反转关节力矩偏差阈值时，采用最小二乘方法计算所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数，并根据计算获取的所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数的计算公式为：
Figure FDA0002297193900000051
其中，newf1 -和
Figure FDA0002297193900000052
是更新后的关节正转方向线性粘性摩擦系数和更新后的关节正转方向非线性粘性摩擦系数；
Figure FDA0002297193900000053
为关节反转方向静摩擦力在修正前的值。
4.根据权利要求1所述的工业机械臂的人机协作示教方法，其特征在于，在利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值之前，所述人机协作示教方法还包括：
对机械臂关节逆动力学模型和非线性关节摩擦力模型中的参数进行初始化，并启动机械臂协作示教开始模式。
5.根据权利要求4所述的工业机械臂的人机协作示教方法，其特征在于，所述机械臂协作示教开始模式为开启机械臂，释放机械臂抱闸装置的模式。
6.根据权利要求1所述的工业机械臂的人机协作示教方法，其特征在于，在根据确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿之后，所述人机协作示教方法还包括：
当机械臂被操作者牵引到预期位置时，记录机械臂的位姿和关节转角，并向操作者询问示教是否完成；
若未完成，返回利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值步骤，等待操作者继续牵引机械臂；
若已完成，执行人机交互示教结束模式。
7.根据权利要求6所述的工业机械臂的人机协作示教方法，其特征在于，所述人机交互示教结束模式为关闭机械臂抱闸装置，机械臂停机，保存机械臂非线性关节摩擦力模型参数值的模式。
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