CN108453740A - 一种工业机器人协作交互方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种工业机器人协作交互方法及系统，包括：建立工业机器人运动学及动力学模型，确定基座力‑力矩测量坐标系；装订工业机器人连杆长度参数及质量分布特性参数；测量工业机器人的关节运动参数并进行滤波处理；根据机器人的关节运动参数，求解工业机器人各连杆的运动参数；根据工业机器人的各连杆运动参数、连杆质量特性参数，计算各连杆的自由运动支反力偶，求解传递至机器人基座的支反力偶；测量基座固定支反力并进行滤波处理；计算交互外力在基座坐标系下的投影；控制工业机器人交互运动。本发明可适用于所有串联结构的机器人，其设置的三种子模式，保证人机安全的前提下，能满足人机协作过程中的基本交互能力需求。

Description

一种工业机器人协作交互方法及系统

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种工业机器人协作交互方法及系统。

背景技术

出于安全考虑，传统工业机器人被严格限定在与人隔离的工作环境中，而随着工业机器人应用的拓展，尤其是面向中小企业一般化的应用场景中，机器人与人需要近距离协作完成任务，需要工业机器人具备与人的协作交互能力。现有技术中还没有一种可以提供协作交互能力的机器人。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种工业机器人协作交互方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种工业机器人协作交互方法，包括如下步骤：

步骤S1，建立工业机器人运动学及动力学模型，确定基座力-力矩测量坐标系O_{i- 1}x_i-1y_i-1z_i-1；

步骤S2，装订所述工业机器人连杆长度参数(r_i-1,i)及质量分布特性参数其中r_i-1,i为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下，从关节i中心O_i-1指向关节i+1中心O_i；为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下，从关节i中心O_i-1指向连杆i中心C_i；为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下，从关节i+1中心O_i指向连杆i中心C_i；m_i,I_i分别为连杆i质量和质心坐标系下转动惯量；

步骤S3，测量所述工业机器人的关节运动参数并进行滤波处理；

步骤S4，根据滤波处理后的所述机器人的关节运动参数，求解所述工业机器人各连杆的运动参数其中，分别为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下旋转速度和加速度；分别为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下平移速度和加速度；

步骤S5，根据所述工业机器人的各连杆运动参数以及连杆质量特性参数，计算各连杆的自由运动支反力偶进一步求解传递至机器人基座的支反力偶W₀ ⁰；

步骤_S6，利用六维力-力矩传感器测量基座固定支反力W_s并进行滤波处理；

步骤S7，计算交互外力在基座坐标系下的投影ΔW；

步骤S8，根据协作模式设置和交互外力信息更新，控制所述工业机器人交互运动。

进一步，在所述步骤S3中，所述关节运动参数其中分别为关节i的位置、速度、加速度。

进一步，在所述步骤S8中，控制所述工业机器人交互运动，包括以下三种模式：

(1)安全接触模式：设置交互接触力安全阈值ΔW_safe，如果交互外力低于安全阈值，机器人正常运行，如果交互外力高于安全阈值，则根据实际处理需要进行安全处理；

(2)引导示教模式：所述工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过比例关系将世界坐标系下的交互外力映射为所述工业机器人末端在世界坐标系下的六维速度，进一步积分得到所述工业机器人末端在世界坐标系下的位置和姿态运动指令；

(3)柔性控制模式：所述工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过阻抗控制将所述工业机器人交互力映射为世界坐标系下的位置反馈指令，修正所述工业机器人末端在世界坐标系下的运动，同时通过阻抗控制参数调节机器人运动的柔顺特性，实现期望的柔顺控制效果。

进一步，在所述安全接触模式下，根据实际处理需要进行以下安全处理方式：

(1)向所述工业机器人控制器请求紧急停止；

(2)利用所述工业机器人最大减速能力，沿规划路径减速停止；

(3)沿路径最大减速停止后，转入所述工业机器人重力补偿模式，保证所述工业机器人在保持负载和自身重力状态下自由运动。

本发明实施例提供一种工业机器人协作交互系统，包括：工业机器人、基座六维力-力矩传感器，所述基座六维力-力矩传感器位于固定面和所述工业机器人的机器人基座之间，

所述基座六维力-力矩传感器测量机器人运动过程中传递至底座的六维支反力W_s并进行滤波处理，并通过机器人动力学模型计算所述工业机器人自身运动各连杆需要的六维动力力偶，递推计算支撑所述工业机器人自身运动的基座的支反力偶W₀ ⁰，通过比对基座六维力-力矩传感器测量力偶W_s和机器人自身运动的基座支反力偶W₀ ⁰，得到机器人受到的外部环境在基座坐标系下的投影，即交互力偶信息ΔW，根据协作模式设置和交互外力信息更新，控制所述工业机器人交互运动。

进一步，控制所述工业机器人交互运动，包括以下三种模式：

(1)安全接触模式：设置交互接触力安全阈值ΔW_safe，如果交互外力低于安全阈值，机器人正常运行，如果交互外力高于安全阈值，则根据实际处理需要进行安全处理；

(2)引导示教模式：所述工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过比例关系将世界坐标系下的交互外力映射为所述工业机器人末端在世界坐标系下的六维速度，进一步积分得到所述工业机器人末端在世界坐标系下的位置和姿态运动指令；

(3)柔性控制模式：所述工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过阻抗控制将所述工业机器人交互力映射为世界坐标系下的位置反馈指令，修正所述工业机器人末端在世界坐标系下的运动，同时通过阻抗控制参数调节机器人运动的柔顺特性，实现期望的柔顺控制效果。

进一步，在所述安全接触模式下，根据实际处理需要进行以下安全处理方式：

(1)向所述工业机器人控制器请求紧急停止；

(2)利用所述工业机器人最大减速能力，沿规划路径减速停止；

(3)沿路径最大减速停止后，转入所述工业机器人重力补偿模式，保证所述工业机器人在保持负载和自身重力状态下自由运动。

根据本发明实施例的工业机器人协作交互方法及系统，可以实现机器人与人协作交互能力。本发明的工业机器人协作交互系统由工业机器人和基座六维力-力矩传感器构成，并交互力监测和相应处理控制方法，实现安全接触、引导示教以及柔顺控制等协作交互功能，可直接与传统工业机器人配合，无需进行工业机器人的额外改造，代价较小。本发明提出的基于基座力-力矩传感器的交互力偶检测方法，面向工业机器人的通用方法，可适用于所有串联结构的机器人，其设置的三种子模式，保证人机安全的前提下，能满足人机协作过程中的基本交互能力需求。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的工业机器人协作交互方法的流程图；

图2为根据本发明另一个实施例的工业机器人协作交互系统的流程图；

图3为根据本发明实施例的工业机器人协作交互系统的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种工业机器人协作交互方法及系统，采用通用串联机器人以及位于机器人底座和固定面之间的六维力-力矩传感器构成，可以实现基于基座力-力矩传感器的人-机器人-环境交互外力测量估计和计算，提出了工业机器人协作交互模式、子模式以及各模式下机器人交互控制方法。

如图1和图2所示，本发明实施例的工业机器人协作交互方法，包括如下步骤：

步骤S1，建立工业机器人运动学及动力学模型，确定基座力-力矩测量坐标系O_{i- 1}x_i-1y_i-1z_i-1。

步骤S2，装订工业机器人连杆长度参数(r_i-1,i)及质量分布特性参数其中r_i-1,i为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下，从关节i中心O_i-1指向关节i+1中心O_i；为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下，从关节i中心O_i-1指向连杆i中心C_i；为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下，从关节i+1中心O_i指向连杆i中心C_i；m_i,I_i分别为连杆i质量和质心坐标系下转动惯量。

步骤S3，测量工业机器人的关节运动参数并进行滤波处理。

在本发明的一个实施例中，关节运动参数其中分别为关节i的位置、速度、加速度。

步骤S4，根据滤波处理后的机器人的关节运动参数，求解工业机器人各连杆的运动参数其中，分别为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下旋转速度和加速度；分别为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下平移速度和加速度。

步骤S5，根据工业机器人的各连杆运动参数以及连杆质量特性参数，计算各连杆的自由运动支反力偶进一步求解传递至机器人基座的支反力偶W₀ ⁰。

步骤S6，利用六维力-力矩传感器测量基座固定支反力W_s并进行滤波处理。

步骤S7，计算交互外力在基座坐标系下的投影ΔW。

步骤S8，根据协作模式设置和交互外力信息更新，控制工业机器人交互运动。

在本步骤中，控制工业机器人交互运动，包括以下三种模式：

1)安全接触模式：设置交互接触力安全阈值ΔW_safe，如果交互外力低于安全阈值，机器人正常运行，如果交互外力高于安全阈值，则根据实际处理需要进行安全处理。

在安全接触模式下，根据实际处理需要进行以下安全处理方式：

(1)向工业机器人控制器请求紧急停止；

(2)利用工业机器人最大减速能力，沿规划路径减速停止；

(3)沿路径最大减速停止后，转入工业机器人重力补偿模式，保证工业机器人在保持负载和自身重力状态下自由运动。

在安全接触模式下，通过设置并检测接触力阈值，采取相应的减速停止及回退处理措施，保证机器人与外部环境的安全接触。

2)引导示教模式：工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过比例关系将世界坐标系下的交互外力映射为工业机器人末端在世界坐标系下的六维速度，进一步积分得到工业机器人末端在世界坐标系下的位置和姿态运动指令。

在引导示教模式下，将交互力偶信息通过控制算法转换为机器人末端运动信息，在交互力引导下控制机器人末端运动。

3)柔性控制模式：工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过阻抗控制将工业机器人交互力映射为世界坐标系下的位置反馈指令，修正工业机器人末端在世界坐标系下的运动，同时通过阻抗控制参数调节机器人运动的柔顺特性，实现柔顺控制。

在柔顺控制模式下，通过控制算法建立交互力偶与机器人末端运动的动力学映射关系，并通过控制参数设置，调整交互力与运动的动力学关联特性，实现期望的柔顺控制性能。

如图3所示，本发明实施例的工业机器人协作交互系统，包括：工业机器人、基座六维力-力矩传感器，基座六维力-力矩传感器位于固定面和工业机器人的机器人基座之间。

具体的，基座六维力-力矩传感器测量机器人运动过程中传递至底座的六维支反力W_s并进行滤波处理，并通过机器人动力学模型计算工业机器人自身运动各连杆需要的六维动力力偶，从而可递推计算支撑工业机器人自身运动的基座的支反力偶W₀ ⁰，通过比对基座六维力-力矩传感器测量力偶W_s和机器人自身运动的基座支反力偶W₀ ⁰，得到机器人受到的外部环境在基座坐标系下的投影，即交互力偶信息ΔW，并可将此信息用于安全接触、引导示教、柔顺控制等不同的交互模式下，根据协作模式设置和交互外力信息更新，控制工业机器人交互运动。

在本发明的一个实施例中，控制工业机器人交互运动，包括以下三种模式：

1)安全接触模式：设置交互接触力安全阈值ΔW_safe，如果交互外力低于安全阈值，机器人正常运行，如果交互外力高于安全阈值，则根据实际处理需要进行安全处理。

在安全接触模式下，根据实际处理需要进行以下安全处理方式：

(1)向工业机器人控制器请求紧急停止；

(2)利用工业机器人最大减速能力，沿规划路径减速停止；

(3)沿路径最大减速停止后，转入工业机器人重力补偿模式，保证工业机器人在保持负载和自身重力状态下自由运动。

在安全接触模式下，通过设置并检测接触力阈值，采取相应的减速停止及回退处理措施，保证机器人与外部环境的安全接触。

2)引导示教模式：工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过比例关系将世界坐标系下的交互外力映射为工业机器人末端在世界坐标系下的六维速度，进一步积分得到工业机器人末端在世界坐标系下的位置和姿态运动指令。

在引导示教模式下，将交互力偶信息通过控制算法转换为机器人末端运动信息，在交互力引导下控制机器人末端运动。

3)柔性控制模式：工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过阻抗控制将工业机器人交互力映射为世界坐标系下的位置反馈指令，修正工业机器人末端在世界坐标系下的运动，同时通过阻抗控制参数调节机器人运动的柔顺特性，实现柔顺控制。

在柔顺控制模式下，通过控制算法建立交互力偶与机器人末端运动的动力学映射关系，并通过控制参数设置，调整交互力与运动的动力学关联特性，实现期望的柔顺控制性能。

根据本发明实施例的工业机器人协作交互方法及系统，可以实现机器人与人协作交互能力。本发明的工业机器人协作交互系统由工业机器人和基座六维力-力矩传感器构成，并交互力监测和相应处理控制方法，实现安全接触、引导示教以及柔顺控制等协作交互功能，可直接与传统工业机器人配合，无需进行工业机器人的额外改造，代价较小。本发明提出的基于基座力-力矩传感器的交互力偶检测方法，面向工业机器人的通用方法，可适用于所有串联结构的机器人，其设置的三种子模式，保证人机安全的前提下，能满足人机协作过程中的基本交互能力需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种工业机器人协作交互方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，建立工业机器人运动学及动力学模型，确定基座力-力矩测量坐标系O_i-1x_{i- 1}y_i-1z_i-1；

步骤S2，装订所述工业机器人连杆长度参数(r_i-1,i)及质量分布特性参数其中r_i-1,i为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下，从关节i中心O_i-1指向关节i+1中心O_i；为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下，从关节i中心O^i-1指向连杆i中心Cⁱ；为连杆i坐标系O_i-1x_{i- 1}y_i-1z_i-1下，从关节i+1中心O_i指向连杆i中心C_i；m_i,I_i分别为连杆i质量和质心坐标系下转动惯量；

步骤S3，测量所述工业机器人的关节运动参数并进行滤波处理；

步骤S4，根据滤波处理后的所述机器人的关节运动参数，求解所述工业机器人各连杆的运动参数其中，分别为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下旋转速度和加速度；分别为连杆i坐标系O_i-1x_i-1y_i-1z_i-1下平移速度和加速度；

步骤S5，根据所述工业机器人的各连杆运动参数以及连杆质量特性参数，计算各连杆的自由运动支反力偶进一步求解传递至机器人基座的支反力偶

步骤S6，利用六维力-力矩传感器测量基座固定支反力W_s并进行滤波处理；

步骤S7，计算交互外力在基座坐标系下的投影ΔW；

步骤S8，根据协作模式设置和交互外力信息更新，控制所述工业机器人交互运动。

2.如权利要求1所述的工业机器人协作交互方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述关节运动参数其中q_i,分别为关节i的位置、速度、加速度。

3.如权利要求1所述的工业机器人协作交互方法，其特征在于，在所述步骤S8中，控制所述工业机器人交互运动，包括以下三种模式：

(1)安全接触模式：设置交互接触力安全阈值ΔW_safe，如果交互外力低于安全阈值，机器人正常运行，如果交互外力高于安全阈值，则根据实际处理需要进行安全处理；

(2)引导示教模式：所述工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过比例关系将世界坐标系下的交互外力映射为所述工业机器人末端在世界坐标系下的六维速度，进一步积分得到所述工业机器人末端在世界坐标系下的位置和姿态运动指令；

(3)柔性控制模式：所述工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过阻抗控制将所述工业机器人交互力映射为世界坐标系下的位置反馈指令，修正所述工业机器人末端在世界坐标系下的运动，同时通过阻抗控制参数调节机器人运动的柔顺特性，实现期望的柔顺控制效果。

4.如权利要求3所述的工业机器人协作交互方法，其特征在于，在所述安全接触模式下，根据实际处理需要进行以下安全处理方式：

(1)向所述工业机器人控制器请求紧急停止；

(2)利用所述工业机器人最大减速能力，沿规划路径减速停止；

(3)沿路径最大减速停止后，转入所述工业机器人重力补偿模式，保证所述工业机器人在保持负载和自身重力状态下自由运动。

5.一种工业机器人协作交互系统，其特征在于，包括：工业机器人、基座六维力-力矩传感器，所述基座六维力-力矩传感器位于固定面和所述工业机器人的机器人基座之间，

所述基座六维力-力矩传感器测量机器人运动过程中传递至底座的六维支反力W_s并进行滤波处理，并通过机器人动力学模型计算所述工业机器人自身运动各连杆需要的六维动力力偶，递推计算支撑所述工业机器人自身运动的基座的支反力偶通过比对基座六维力-力矩传感器测量力偶W_s和机器人自身运动的基座支反力偶得到机器人受到的外部环境在基座坐标系下的投影，即交互力偶信息ΔW，根据协作模式设置和交互外力信息更新，控制所述工业机器人交互运动。

6.如权利要求5所述的工业机器人协作交互系统，其特征在于，控制所述工业机器人交互运动，包括以下三种模式：

(1)安全接触模式：设置交互接触力安全阈值ΔW_safe，如果交互外力低于安全阈值，机器人正常运行，如果交互外力高于安全阈值，则根据实际处理需要进行安全处理；

(2)引导示教模式：所述工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过比例关系将世界坐标系下的交互外力映射为所述工业机器人末端在世界坐标系下的六维速度，进一步积分得到所述工业机器人末端在世界坐标系下的位置和姿态运动指令；

(3)柔性控制模式：所述工业机器人根据交互力反馈进行笛卡尔空间位置控制，将交互外力在基座坐标系下的投影，转换到世界坐标系中，并通过阻抗控制将所述工业机器人交互力映射为世界坐标系下的位置反馈指令，修正所述工业机器人末端在世界坐标系下的运动，同时通过阻抗控制参数调节机器人运动的柔顺特性，实现期望的柔顺控制效果。

7.如权利要求6所述的工业机器人协作交互系统，其特征在于，在所述安全接触模式下，根据实际处理需要进行以下安全处理方式：

(1)向所述工业机器人控制器请求紧急停止；

(2)利用所述工业机器人最大减速能力，沿规划路径减速停止；

(3)沿路径最大减速停止后，转入所述工业机器人重力补偿模式，保证所述工业机器人在保持负载和自身重力状态下自由运动。