CN111037567A - 六轴机器人末端负载辨识方法及模块 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及机器人控制技术领域，公开了一种六轴机器人末端负载辨识方法及模块。本发明中六轴机器人末端负载辨识方法包括:建立关节轴的动力学模型；获取六轴机器人的初始位姿，根据初始位姿生成辨识轨迹；根据辨识轨迹，控制关节轴沿辨识轨迹运动，采集关节轴的参数运行值；根据动力学模型和参数运行值，计算关节轴的重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量；根据重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，计算末端负载动力学参数。本发明实施例还提供了一种六轴机器人末端负载辨识模块，相对于现有技术可以使得六轴机器人末端负载辨识的过程中所需空间小、对六轴机器人本体动力学参数需求极少、且末端负载动力学参数辨识精度较高。

Description

六轴机器人末端负载辨识方法及模块

技术领域

本发明实施例涉及机器人控制技术领域，特别涉及六轴机器人末端负载辨识方法及模块。

背景技术

工业机器人已经越来越多的应用于搬运码垛等工作场景，在搬运码垛等工作场景中，工业机器人通常为重载机器人，重载机器人的工作过程中，节拍直接决定了生产效率和成本。为了满足机器人达到设定的速度和节拍以及充分利用机器人动力学特性、发挥机器人关节轴伺服电机的最佳性能，就必须得有精确的机器人动力学参数，包括机器人本体的动力学参数和安装于机器上的工具和负载的动力学参数。实际现场应用中，由于工具和负载的更换，其模型和参数也会改变，因此需要通过负载辨识方式来实现末端负载动力学参数的自动获取。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有的机器人末端负载动力学辨识方法所需的运动空间较大，不适用于大部分应用工况，对机器人本体动力学模型精度需求较高、且负载动力学参数中转动惯量的辨识精度不高。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种六轴机器人末端负载辨识方法及模块，使得六轴机器人末端负载辨识的过程中所需空间小、对六轴机器人本体动力学参数需求极少、且末端负载动力学参数辨识精度较高。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种六轴机器人末端负载辨识方法，包括：建立关节轴的动力学模型；获取六轴机器人的初始位姿，根据初始位姿生成辨识轨迹；根据辨识轨迹，控制关节轴沿辨识轨迹运动，采集关节轴的参数运行值；根据动力学模型和参数运行值，计算关节轴的重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量；根据重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，计算末端负载动力学参数。

本发明的实施方式还提供了一种六轴机器人末端负载辨识模块，包括：动力学模型建立单元，用于建立关节轴的动力学模型；辨识轨迹生成单元，用于获取六轴机器人的初始位姿，根据初始位姿生成辨识轨迹；运行控制单元，用于控制关节轴沿辨识轨迹运动；参数采集单元，用于采集关节轴的参数运行值；参数计算单元，用于根据动力学模型和参数运行值，计算关节轴的重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，并根据重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，计算末端负载动力学参数。

本发明实施方式相对于现有技术而言，辨识过程中每次只令单个关节轴进行运动，使得辨识所需的运动空间小，提高了辨识过程的安全性能，减少其它轴运动带来的耦合力矩对辨识精度的影响；在计算末端负载动力学参数的过程中，基本不依赖六轴机器人本体动力学参数，对六轴机器人本体动力学模型精度的需求低；适用于大部分机器人初始辨识姿态；受机器人关节温度、关节轴电机反馈电流噪声及关节轴传动等因素影响小。

另外，建立关节轴的动力学模型之前，还包括：对伺服电机力矩的力矩常数K进行标定；对所述伺服电机力矩的力矩常数K进行标定具体包括：将已知动力学参数的负载安装于六轴机器人；辨识已知动力学参数的负载，获得已知动力学参数的负载的辨识参数；已知动力学参数与辨识参数的比值即为标定后的力矩常数K。在负载辨识过程之前对力矩常数K进行标定，使得负载辨识的精度更高。

另外，建立关节轴的动力学模型中，动力学模型具体为：

其中，τ_i为动力学模型，

表示关节轴的惯性力矩，

表示关节轴的耦合惯性力矩，

表示关节轴的离心力矩，

表示关节轴的科氏力矩，τ_grav，i(θ)表示关节轴的重力矩，τ_fric，i表示关节轴的摩擦力，θ表示关节轴的角度，

表示关节轴的速度，

表示关节轴的加速度，J_i表示关节轴的转动惯量，J_ij表示关节轴的耦合转动惯量。通过建立关节轴的动力学模型，使得辨识过程只需辨识相应关节轴的重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，然后通过动力学模型既可以解出需要辨识的负载动力学参数。

另外，辨识轨迹包括转动惯量辨识轨迹、重力矩辨识轨迹、耦合转动惯量辨识轨迹；根据辨识轨迹，控制关节轴沿辨识轨迹运动，具体包括：根据转动惯量辨识轨迹，运行关节轴，转动惯量辨识轨迹包括匀加速轨迹和匀减速轨迹；根据重力矩辨识轨迹，运行关节轴，重力矩辨识轨迹包括正转轨迹和反转轨迹；根据耦合转动惯量辨识轨迹，运行关节轴，耦合转动惯量辨识轨迹包括匀加速轨迹和匀减速轨迹。通过设计匀加速、匀减速轨迹以及正反转轨迹，辨识轨迹不需要达到机器人最大速度，使得四轴机器人在辨识过程中所需的运动空间小。

另外，计算关节轴的转动惯量、重力矩以及耦合转动惯量中，具体包括：对关节轴的参数运行值进行滤波处理；根据滤波处理后的参数运行值计算关节轴的转动惯量；根据滤波处理后的参数运行值计算关节轴的重力矩；根据滤波处理后的参数运行值计算关节轴的耦合转动惯量。通过对参数运行值进行滤波处理，以消除负载辨识过程中的噪声干扰。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式的六轴机器人末端负载辨识方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式中转动惯量辨识轨迹示意图；

图3是根据本发明第一实施方式中重力矩辨识轨迹示意图；

图4是根据本发明第一实施方式中耦合转动惯量辨识轨迹示意图；

图5是根据本发明第二实施方式的六轴机器人末端负载辨识方法流程图；

图6是根据本发明第三实施方式的六轴机器人末端负载辨识模块结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明的第一实施方式涉及一种六轴机器人末端负载辨识方法。具体流程如图1所示。

在步骤S1中，建立包含负载动力学六轴机器人关节轴的动力学模型。具体的说，本实施方式中的六机器人动力学模型可以用以下公式来表示：

其中，τ_i表示动力学模型，

表示关节轴的惯性力矩，

表示关节轴的耦合惯性力矩，

表示关节轴的离心力矩，

表示关节轴的科氏力矩，τ_grav，i(θ)表示关节轴的重力矩，τ_fric，i表示关节轴的摩擦力，θ表示关节轴的角度，

表示关节轴的速度，

表示关节轴的加速度，J_i表示关节轴的转动惯量，J_ij表示关节轴的耦合转动惯量。

在步骤S2中，获取六轴机器人的辨识位姿，根据辨识位姿生成辨识轨迹。需要说明的是，实际应用中，可以根据实际情况，选取最合适的安装位姿安装六轴机器人，并根据安装位姿获取六轴机器人的辨识位姿，以根据辨识位姿生成辨识轨迹。

具体地说，本实施例中的辨识轨迹包括转动惯量辨识轨迹、重力矩辨识轨迹和耦合转动惯量辨识轨迹。转动惯量辨识轨迹如图2所示，包括匀加速轨迹和匀减速轨迹；重力矩辨识轨迹如图3所示，包括正转轨迹和反转轨迹；耦合转动惯量辨识轨迹如图4所示，包括匀加速轨迹和匀减速轨迹。

在步骤S3中，根据辨识轨迹，控制关节轴沿辨识轨迹运动，采集关节轴的参数运行值。其中，参数运行值包括关节轴的反馈位置、加速度和力矩。需要说明的是，为了便于理解和说明，本实施例中与负载连接的关节轴为关节轴6，距负载最远的关节轴为关节轴1，与关节轴6相邻的为关节轴5，本实施例以关节轴3、关节轴5、关节轴6组合进行负载辨识为例，本实施例不对负载辨识过程中选用的关节轴做具体限制，其他关节轴的组合也可以实现本实施例中的负载辨识方法。具体地说，根据转动惯量辨识轨迹，运行对应关节轴，并采集关节轴的伺服电机力矩、关节轴的加速度以及关节轴的位置；根据重力矩辨识轨迹，运行对应关节轴，并采集关节轴的伺服电机力矩、关节轴的加速度以及关节轴的位置；根据耦合转动惯量辨识轨迹，运行对应关节轴，并采集关节轴的伺服电机力矩、关节轴的加速度以及关节轴的位置。

具体地说，辨识位姿P1、P2和P3下关节轴5的转动惯量J_5,P1、J_5,P2和J_5,P3的过程中，先保持其他关节轴不动，按照转动惯量辨识轨迹分别在位姿P1、位姿P2和位姿P3下运行关节轴5，并采集关节轴5伺服电机输出力矩，关节轴5的加速度以及关节轴5的位置。

辨识位姿P1下关节轴6的转动惯量J_6,P1的过程中，先保持其他关节轴不动，按照转动惯量辨识轨迹分别在位姿P1下运行关节轴6，并采集关节轴6伺服电机输出力矩，关节轴6的加速度以及关节轴6的位置。

辨识关节轴3在P1位姿下的重力矩τ_grav，3,P1的过程中，先按照重力矩辨识轨迹分别在辨识位姿P1下运行关节轴3，将关节轴3慢速正反运动一段距离，其它关节轴保持固定不动，并采集关节轴3伺服电机输出力矩和关节轴3的位置。

辨识关节轴5在P1位姿下的重力矩τ_grav，5,P1的过程中，先按照重力矩辨识轨迹分别在辨识位姿P1下运行关节轴5，将关节轴5慢速正反运动一段距离，其它关节轴保持固定不动，并采集关节轴5伺服电机输出力矩和关节轴5的位置。

辨识关节轴6在P1和P2位姿下的重力矩τ_{grav，6，P1}，τ_{grav，6，P2}的过程中，先按照重力矩辨识轨迹分别在辨识位姿P1和P2下运行关节轴6，将关节轴6慢速正反运动一段距离，其它关节轴保持固定不动，并采集关节轴6伺服电机输出力矩和关节轴6的位置。

辨识位姿P1和P2下关节轴6对关节轴5的耦合转动惯量J_56，P1和J_56，P2的过程中，按照耦合转动惯量辨识轨迹分别在辨识位姿P1和位姿P2下同时运行关节轴6和关节轴5，其它关节轴保持固定不动。特别地关节轴5运动范围较小，通常为1°左右，并采集关节轴5、6伺服电机输出力矩，关节轴5、6的加速度以及关节轴5、6的位置。

在步骤S4中，根据动力学模型和参数运行值，计算关节轴的重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量。

其中，转动惯量计算公式具体为：

重力矩计算公式具体为：

耦合转动惯量计算公式具体为：

在步骤S5中，根据步骤S4中辨识得到的各重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，计算末端负载动力学参数。具体地说，所需辨识的末端负载动力学参数包括：

m，x，y，z，Ixx，Iyy，Izz，Ixz，Ixy，Iyz；；

其中m表示负载质量，x、y、z表示负载质心在机器人法兰坐标系位置，Ixx，Iyy，Izz，Ixz，Ixy，Iyz表示负载的转动惯量。

其中，计算公式具体为：

m＝f₁(τ_{grav，3，P1}，τ_{grav，5，P1}，DH，g_x，g_y，g_z)

x＝f₂(m，τ_{grav，5，P1}，τ_{grav，6，P1}，τ_{grav，6，P2}，h₂(g_x，g_y，g_z，θ₆₁，θ₆₂))

y＝f₃(m，τ_{grav，5，P1}，τ_{grav，6，P1}，τ_{grav，6，P2}，h₃(g_x，g_y，g_z，θ₆₁，θ₆₂))

z＝f₄(m，τ_{grav，5，P1}，τ_{grav，6，P1}，τ_{grav，6，P2}，h₄(g_x，g_y，g_z，θ₆₁，θ₆₂))

Ixx＝f₅(J_5，P1，J_5，P2，J_5，P3，h₅(g_x，g_y，g_z，θ₆₁，θ₆₂，θ₆₃))

Iyy＝f₆(J_5，P1，J_5，P2，J_5，P3，h₆(g_x，g_y，g_z，θ₆₁，θ₆₂，θ₆₃))

Izz＝f₇(J_6，P1)

Ixy＝f₈(J_5，P1，J_5，P2，J_5，P3，h₈(g_x，g_y，g_z，θ₆₁，θ₆₂，θ₆₃))

Ixz＝f₉(J_56，P1，J_56，P2，h₉(g_x，g_y，g_z，θ₆₁，θ₆₂))

Iyz＝f₁₀(J_56，P1，J_56，P2，h₁₀(g_x，g_y，g_z，θ₆₁，θ₆₂))

需要说明的是，DH为四轴机器人各个连杆的几何参数，g_x，g_y，g_z为地球重力加速度在工业机器人基坐标系的重力矩分量，θ₆₁，θ₆₂，θ₆₃为工业机器人第六关节轴位姿，h为非线性函数。

本发明的第二实施方式涉及一种六轴机器人末端负载辨识方法，第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本发明第二实施方式中，如图5所示，建立关节轴的动力学模型之前，还包括：对伺服电机力矩的力矩常数K进行标定；对伺服电机力矩的力矩常数K进行标定具体包括：将已知动力学参数的负载安装于六轴机器人；辨识已知动力学参数的负载，获得已知动力学参数的负载的辨识参数；已知动力学参数与辨识参数的比值即为标定后的力矩常数K。

建立关节轴的动力学模型之前还包括步骤S0：对伺服电机力矩的力矩常数K进行标定。具体地说，根据已知动力学参数的负载进行标定，即将已知负载安装于法兰，按照本发明提出的末端负载辨识方式进行负载辨识，已知负载参数和辨识负载参数比值即为标定之后的电机力矩常数K，公式如下：

其中x_real为已知负载质心分量，x_iden为辨识得到的负载质心分量。需要说明的是，为了便于理解和说明，本实施例以质心分量为例进行标定，本实施例不对进行标定的参数做具体限制，同样的也可以用其它负载分量进行标定。

本实施例中，通过在进行工业机器人末端负载辨识之前，对电机的力矩常数K进行标定，使得辨识过程达到更高的负载辨识精度。

本发明的第三实施方式涉及一种六轴机器人末端负载辨识模块，如图6所示，包括：动力学模型建立单元1、预设轨迹存储单元2、运行控制单元3、参数采集单元4、参数计算单元5。

动力学模型建立单元，用于建立关节轴的动力学模型；

辨识轨迹生成单元，用于获取六轴机器人的辨识位姿，根据辨识位姿生成辨识轨迹；

运行控制单元，用于控制关节轴沿辨识轨迹运动；

参数采集单元，用于采集关节轴的参数运行值；

参数计算单元，用于根据动力学模型和参数运行值，计算关节轴的重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，并根据重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，计算末端负载动力学参数。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，包括：

建立关节轴的动力学模型；

获取所述六轴机器人的初始位姿，根据所述初始位姿生成辨识轨迹；

根据所述辨识轨迹，控制所述关节轴沿所述辨识轨迹运动，采集所述关节轴的参数运行值；

根据所述动力学模型和所述参数运行值，计算所述关节轴的重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量；

根据所述重力矩、所述转动惯量以及所述耦合转动惯量，计算末端负载动力学参数。

2.根据权利要求1所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述参数运行值，具体包括：

所述关节轴的反馈位置、加速度和力矩。

3.根据权利要求2所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述建立关节轴的动力学模型之前，还包括：对所述伺服电机力矩的力矩常数K进行标定；

所述对所述伺服电机力矩的力矩常数K进行标定具体包括：将已知动力学参数的负载安装于所述六轴机器人；辨识所述已知动力学参数的负载，获得所述已知动力学参数的负载的辨识参数；所述已知动力学参数与所述辨识参数的比值即为标定后的所述力矩常数K。

4.根据权利要求3所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述建立关节轴的动力学模型中，所述动力学模型具体为：

其中，τ_i为所述动力学模型，

表示所述关节轴的惯性力矩，

表示所述关节轴的耦合惯性力矩，

表示所述关节轴的离心力矩，

表示所述关节轴的科氏力矩，τ_grav，i(θ)表示所述关节轴的重力矩，τ_fric，i表示所述关节轴的摩擦力，θ表示所述关节轴的角度，

表示所述关节轴的速度，

表示所述关节轴的加速度，J_i表示所述关节轴的转动惯量，J_ij表示所述关节轴的耦合转动惯量。

5.根据权利要求4所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述辨识轨迹包括转动惯量辨识轨迹、重力矩辨识轨迹、耦合转动惯量辨识轨迹；所述根据辨识轨迹，控制所述关节轴沿辨识轨迹运动，具体包括：

根据所述转动惯量辨识轨迹，运行所述关节轴，所述转动惯量辨识轨迹包括匀加速轨迹和匀减速轨迹；

根据所述重力矩辨识轨迹，运行所述关节轴，所述重力矩辨识轨迹包括正转轨迹和反转轨迹；

根据所述耦合转动惯量辨识轨迹，运行所述关节轴，所述耦合转动惯量辨识轨迹包括匀加速轨迹和匀减速轨迹。

6.根据权利要求5所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述计算所述关节轴的转动惯量、重力矩以及耦合转动惯量中，具体包括：

对所述关节轴的所述参数运行值进行滤波处理；

根据滤波处理后的所述参数运行值计算所述关节轴的所述转动惯量；

根据滤波处理后的所述参数运行值计算所述关节轴的所述重力矩；

根据滤波处理后的所述参数运行值计算所述关节轴的所述耦合转动惯量。

7.根据权利要求6所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述根据滤波处理后的所述参数运行值计算所述关节轴的所述转动惯量中，计算公式具体为：

其中，Px表示辨识第i关节轴所述转动惯量时六轴机器人的其它各关节轴所处的位姿。

8.根据权利要求7所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述根据滤波处理后的所述参数运行值计算所述关节轴的所述重力矩中，计算公式具体为：

其中，Px表示辨识第i关节轴所述转动惯量时六轴机器人的其它各关节轴所处的位姿。

9.根据权利要求8所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述根据滤波处理后的所述参数运行值计算所述关节轴的所述耦合转动惯量中，计算公式具体为：

其中，Px表示辨识第i关节轴所述转动惯量时六轴机器人的其它各关节轴所处的位姿。

10.根据权利要求9所述的六轴机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述末端负载动力学参数包括：m,x,y,z,Ixx,Iyy,Izz,Ixz,Ixy,Iyz；

其中m表示负载质量，x、y、z表示负载质心在机器人法兰坐标系的位置，Ixx,Iyy,Izz,Ixz,Ixy，Iyz表示负载的转动惯量。

11.一种六轴机器人末端负载辨识模块，其特征在于，包括：

动力学模型建立单元，用于建立关节轴的动力学模型；

辨识轨迹生成单元，用于获取所述六轴机器人的初始位姿，根据所述初始位姿生成辨识轨迹；

运行控制单元，用于控制所述关节轴沿所述辨识轨迹运动；

参数采集单元，用于采集所述关节轴的参数运行值；

参数计算单元，用于根据所述动力学模型和所述参数运行值，计算所述关节轴的重力矩、转动惯量以及耦合转动惯量，并根据所述重力矩、所述转动惯量以及所述耦合转动惯量，计算末端负载动力学参数。

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