CN110076776B - 一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，S1、安装位置加装六轴惯性传感器；S2、初始状态时，三轴加速度传感器得到初始姿态信息；S3、通过初始姿态信息对电机编码器进行校正；S4、运动状态时，三轴陀螺仪传感器得到实时姿态信息；S5、通过实时姿态信息对电机编码器进行校正；S6、六轴惯性传感器中，当检测时间小于N，机器人控制系统采用三轴陀螺仪传感器信息；当检测时间大于等于N，通过得到的实时姿态信息进行融合校正；S6、六个电机编码器采集实时姿态信息进行运动学正运算后与六轴惯性传感器采集实时姿态信息进行交叉对比；S7、当实时监测机器人控制系统状态到达预设阙值时，机器人控制系统修正或停机。

Description

一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法

技术领域

本发明属于机械臂控制技术领域，具体涉及一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法。

背景技术

目前，1.机械臂实际姿态多数由编码器获得的关节角正运算得到；2.想要使机器人末端执行器在空间中移动，由控制器对轨迹中特定间隔的各个点进行运动学逆运算后得到每个关节运动方式分配给关节执行；3.对机器人控制的闭环多数由关节空间编码器实现与保证准确性，极少有最终末端反馈；现有技术方案往往是：1.当前大多数机械臂在电机端具备增量式编码器，配备电池，可以使机械臂关节信息不丢失；2.当前多数协作机器人在增量编码器基础上具备减速机输出端绝对位置编码器，每次上电读取绝对位置编码器可获得机械臂关节信息，之后使用增量编码器获得最新关节信息；

但是现有技术存在以下缺点，缺点一：当前机械臂仅依靠关节电机处加装增量编码器或关节减速机输出端加装绝对位置编码器得到关节状态，增量式编码器会出现掉电数据丢失情况，如果系统未能检测到异常出现，之后对机器人的控制将是在错误基础上的控制，极易造成危险情况的发生；绝对位置编码器由于原理限制个别情况下会出现读取位置偏差某固定角度问题，由于实际使用中仅在上电瞬间获取初始位置，后续对机器人的控制也将是在错误基础上，极易发生危险；目的：在机械臂上电时，通过惯性测量单元提供的末端执行器相对重力方向的姿态，对电机各个编码器值进行校正，防止出现上电时使用错误关节角度信息的危险；缺点二：增量编码器的正交信号检测逻辑在频繁切换正反转方向的情况下会产生偏差，由于增量原理，该偏差将被累积，随时间变化，有可能出现较大误差；目的：在不同于关节空间的笛卡尔空间测量机器人状态，随时监测关节空间编码器累积误差过大的情况的出现并及时修正或停机。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，以解决现有技术中，增量式编码器会出现掉电数据丢失情况和检测偏差，造成机械臂控制错误的问题，且存在一定的安全隐患。

本发明提供了如下的技术方案：

一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，包括以下步骤：S1、在机械臂末端执行器安装位置加装六轴惯性传感器，六轴惯性传感器包括检测轴成正交分布的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器；S2、机械臂末端执行器初始状态时，三轴加速度传感器得到机械臂末端执行器安装位置当前相对于重力方向的初始姿态信息；S3、机器人控制系统通过初始姿态信息对机械臂末端执行器六轴对应的六个电机编码器进行校正；S4、机械臂末端执行器运动状态时，三轴陀螺仪传感器得到机械臂末端执行器三轴方向的旋转角速度，并通过时间上积分运算得到当前实时姿态信息；S5、机器人控制系统通过实时姿态信息对机械臂末端执行器六轴对应的六个电机编码器进行校正；S6、六轴惯性传感器中，当检测时间小于N，机器人控制系统采用三轴陀螺仪传感器信息；当检测时间大于等于N，通过三轴加速度传感器提供精度较差且无累积误差的实时姿态信息来对三轴陀螺仪传感器得到的实时姿态信息进行融合校正；S6、六个电机编码器采集机械臂末端执行器得到实时姿态信息进行运动学正运算后与六轴惯性传感器采集实时姿态信息进行交叉对比，实时监测机器人控制系统状态；S7、当实时监测机器人控制系统状态到达预设阙值时，机器人控制系统修正或停机。

进一步的，所述S1中，三轴加速度传感器分别获取机械臂末端执行器x轴、y轴、z轴三个方向上的加速度分量；三轴陀螺仪传感器分别获取机械臂末端执行器x轴、y轴、z轴三个方向上的角加速度分量和角速度分量。

进一步的，所述S2中，所述初始姿态信息包括俯仰角和横滚角，其中俯仰角θ＝asin(-ax)；横滚角φ＝a tan(ay/az)；在只有三轴加速度传感器的情况下，无法测得偏航角ψ；

其中，a＝(ax ay az)T＝g＝(0 0 1)T；ax，ay，az分别为重力在三轴加速度传感器三个方向上测得的分力，g表示重力。

进一步的，所述S6中，所述六轴惯性传感器采集实时姿态信息为采用卡尔曼滤波融合所述三轴陀螺仪传感器采集数据与所述三轴加速度采集数据获得。

进一步的，所述S6中，所述运动学正运算为：

其中，c为cos简写，s为sin简写，i为机械臂末端执行器的旋转关节，θ1＝编码器读数＝θi。

本发明的有益效果是：

本发明一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，解决了由于地表环境下重力方向的恒定性，开机时惯性测量单元得到的姿态信息不存在，编码器会出现的由于前期数据丢失而造成新数据错误的问题；解决了由于惯性传感器的原理与安装位置均与编码器不同，两者在使用中较难出现同时同种错误，所以可以用于相互比对校正，达到更高稳定性与安全级别。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明方法流程示意图；

图2是本发明数据校正示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，包括以下步骤：

S1、在机械臂末端执行器安装位置加装六轴惯性传感器，六轴惯性传感器包括检测轴成正交分布的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器；三轴加速度传感器分别获取机械臂末端执行器x轴、y轴、z轴三个方向上的加速度分量；三轴陀螺仪传感器分别获取机械臂末端执行器x轴、y轴、z轴三个方向上的角加速度分量和角速度分量；

S2、机械臂末端执行器初始状态时，三轴加速度传感器得到机械臂末端执行器安装位置当前相对于重力方向的初始姿态信息；初始姿态信息包括俯仰角和横滚角，其中俯仰角θ＝a sin(-ax)；横滚角φ＝a tan(ay/az)；在只有三轴加速度传感器的情况下，无法测得偏航角ψ；其中，a＝(ax ay az)T＝g＝(0 0 1)T；ax，ay，az分别为重力在三轴加速度传感器三个方向上测得的分力，g表示重力；

S3、机器人控制系统通过初始姿态信息对机械臂末端执行器六轴对应的六个电机编码器进行校正；

S4、机械臂末端执行器运动状态时，三轴陀螺仪传感器得到机械臂末端执行器三轴方向的旋转角速度，并通过时间上积分运算得到当前实时姿态信息；

S5、机器人控制系统通过实时姿态信息对机械臂末端执行器六轴对应的六个电机编码器进行校正；

S6、六轴惯性传感器中，

当检测时间小于N，机器人控制系统采用三轴陀螺仪传感器信息；

当检测时间大于等于N，通过三轴加速度传感器提供精度较差且无累积误差的实时姿态信息来对三轴陀螺仪传感器得到的实时姿态信息进行融合校正；

S6、六个电机编码器采集机械臂末端执行器得到实时姿态信息进行运动学正运算后与六轴惯性传感器采集实时姿态信息进行交叉对比，实时监测机器人控制系统状态；六轴惯性传感器采集实时姿态信息包括三轴陀螺仪传感器采集数据与三轴加速度采集数据的采用卡尔曼滤波融合获得；运动学正运算为：

其中，c为cos简写，s为sin简写，i为机械臂末端执行器的旋转关节，θ1＝编码器读数＝θi；

S7、当实时监测机器人控制系统状态到达预设阙值时，机器人控制系统修正或停机。

如图2所示，本具体实施方式的实施例：

姿态信息分两种来源(电机编码器正运算得到的姿态1，惯性器件计算得到的姿态4)；使用方式简单描述就是两种数据不相等(误差大于某一固定值x)即认为系统异常；文中的校正均通过直接的数据对比实现；

1.使用三轴加速度传感器与三轴陀螺仪传感器共同组成六轴惯性传感器，在机器人控制系统不同阶段对以上两组传感器得到的信息赋予不同可信度，融合得到较高可信度的姿态信息；

2.在初始状态时，主要由加速度传感器得到的末端姿态3对电机编码器信息进行校正；

3.在机械臂动态时，主要由陀螺仪得到的实时末端姿态2信息对电机编码器信息进行校正；

4.检测到两种来源的数据误差达到一定阈值时由机器人控制系统选择修正或停机；

修正方案：如果偏航角误差，且在另一固定值(y)以内，且俯仰角与横滚角没有误差(误差小于某一固定值x)，可以认为三轴陀螺仪传感器累积误差，直接将电机编码器得到的偏航角姿态复制给惯性器件，继续使用；否则系统报错停机。(原因：惯性器件中只有三轴加速度传感器根据测量重力方向得到的俯仰角与偏航角属于绝对值，不存在累积误差，使用陀螺仪积分得到的各个角度均为相对值，随时间累积会有越来越大的累积误差)

以上2、3点提到的主要由某个器件进行修正是由于两种器件融合时的性质导致，即，开机时陀螺仪得到的初始角度直接由三轴加速度传感器提供，所以三轴加速度传感器在计算中所占权重较高；运行过程中，陀螺仪数据由于具有动态特性好，抖动小等优点，被赋予更高权重，此时三轴加速度传感器数据仅用来长期范围微量的修正陀螺仪数据累积误差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在机械臂末端执行器安装位置加装六轴惯性传感器，六轴惯性传感器包括检测轴成正交分布的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器；

S2、机械臂末端执行器初始状态时，三轴加速度传感器得到机械臂末端执行器安装位置当前相对于重力方向的初始姿态信息；

S3、机器人控制系统通过初始姿态信息对机械臂末端执行器六轴对应的六个电机编码器进行校正；

S4、机械臂末端执行器运动状态时，三轴陀螺仪传感器得到机械臂末端执行器三轴方向的旋转角速度，并通过时间上积分运算得到当前实时姿态信息；

S5、机器人控制系统通过实时姿态信息对机械臂末端执行器六轴对应的六个电机编码器进行校正；

S6、六轴惯性传感器中，

当检测时间小于N，机器人控制系统采用三轴陀螺仪传感器信息；

当检测时间大于等于N，通过三轴加速度传感器提供精度较差且无累积误差的实时姿态信息来对三轴陀螺仪传感器得到的实时姿态信息进行融合校正；

六个电机编码器采集机械臂末端执行器得到实时姿态信息进行运动学正运算后与六轴惯性传感器采集实时姿态信息进行交叉对比，实时监测机器人控制系统状态；

S7、当实时监测机器人控制系统状态到达预设阙值时，机器人控制系统修正或停机。

2.根据权利要求1所述的一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，其特征在于，所述S1中，三轴加速度传感器分别获取机械臂末端执行器x轴、y轴、z轴三个方向上的加速度分量；三轴陀螺仪传感器分别获取机械臂末端执行器x轴、y轴、z轴三个方向上的角加速度分量和角速度分量。

3.根据权利要求1所述的一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，其特征在于，所述S2中，所述初始姿态信息包括俯仰角和横滚角，其中俯仰角θ＝a sin(-ax)；横滚角φ＝atan(ay/az)；在只有三轴加速度传感器的情况下，无法测得偏航角ψ；

其中，a＝(ax ay az)T＝g＝(0 0 1)T；ax，ay，az分别为重力在三轴加速度传感器三个方向上测得的分力，g表示重力。

4.根据权利要求1所述的一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，其特征在于，所述S6中，所述六轴惯性传感器采集实时姿态信息为采用卡尔曼滤波融合的所述三轴陀螺仪传感器采集数据与所述三轴加速度传感器采集数据获得。

5.根据权利要求1所述的一种使用惯性器件提升机器人稳定性的方法，其特征在于，所述S6中，所述运动学正运算为：

其中，c为cos简写，s为sin简写，i为机械臂末端执行器的旋转关节，θ1＝编码器读数＝θi。

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