CN111168665B - 机器人及其碰撞检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人及其碰撞检测方法和装置，所述方法包括以下步骤：采集机器人的待检测关节的电流值；在每一时刻，将该时刻的电流值与之前预设间隔时刻的电流值作差，并取绝对值，得到该时刻的电流变化量；获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值；根据最大值确定比较阈值；判断当前时刻电流变化量是否大于比较阈值；如果当前时刻电流变化量大于比较阈值，则判定待检测关节发生碰撞。本发明能够有效避免碰撞误检测，无需考虑动力学模型及摩擦力情况，成本较低，且易于实现。

Description

机器人及其碰撞检测方法和装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人的碰撞检测方法、一种机器人的碰撞检测装置和一种机器人。

背景技术

协作机器人最大的优点就是其能够进行碰撞检测实现与人协作功能，而协作机器人在没有力矩传感器的情况下，碰撞力很难检测，但加入力矩传感器又会使其成本大大提高。

目前无力矩传感器的协作机器人进行碰撞检测大多采用两种方式：电流环方式和双编码器方式。电流环方式直接根据电力环(力矩)反馈和机器人系统动力学方程，估计出外力矩。这种方式最困难之处就是关节摩擦力估计，该摩擦力受到机器人位姿，转速，温度，油脂状况等多种因素影响，难以准确建模和辨识，所以应用较为困难且检测灵敏度低。双编码器方式利用了谐波减速器的特性，谐波减速器的刚度较低，这里其实是将谐波减速器当作一个关节力矩传感器使用，使用与柔性关节同样的算法也可以估计外力，但谐波减速器的刚度比力矩传感器还是要高很多，外力检测精度较低，但原理上也可以避免摩擦力的影响。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种机器人的碰撞检测方法，能够有效避免碰撞误检测，无需考虑动力学模型及摩擦力情况，成本较低，且易于实现。

本发明的第二个目的在于提出一种机器人的碰撞检测装置。

本发明的第三个目的在于提出一种机器人。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的机器人的碰撞检测方法包括以下步骤：采集所述机器人的待检测关节的电流值；在每一时刻，将该时刻的电流值与之前预设间隔时刻的电流值作差，并取绝对值，得到该时刻的电流变化量；获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值；根据所述最大值确定比较阈值；判断当前时刻电流变化量是否大于所述比较阈值；如果当前时刻电流变化量大于所述比较阈值，则判定所述待检测关节发生碰撞。

根据本发明的机器人的碰撞检测方法，通过采集机器人待检测关节的电流值，并对其当前时刻与预设间隔时刻的电流值作差取绝对值处理，得到相应的电流变化量，基于连续时间段的电流变化量的最大值确定比较阈值，将当前时刻电流变化量与比较阈值进行比较，根据比较结果判定待检测关节是否发生碰撞，由此，能够有效避免碰撞误检测，无需考虑动力学模型及摩擦力情况，成本较低，且易于实现。

另外，根据本发明上述实例提出的机器人的碰撞检测方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值，具体包括：对每一时刻的电流变化量进行存储，其中，存储空间满足第一预设数量的电流变化量的存储且遵循先进先出原则；取所述存储空间中前第二预设数量的电流变化量的最大值，其中，所述第二预设数量小于所述第一预设数量。

根据本发明的一个实施例，所述机器人的碰撞检测方法还包括：判断所述待检测关节是否发生速度换向或加速度突变；如果发生速度换向或加速度突变，则不对换向或突变前后的多个电流变化量进行存储，并在换向或突变后的多个时刻，将上一个最大值作为当前的最大值。

根据本发明的一个实施例，其中，所述最大值加上预设值得到所述比较阈值。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出的机器人的碰撞检测装置包括：采集模块，所述采集模块用于采集所述机器人的待检测关节的电流值；计算模块，所述计算模块用于在每一时刻，将该时刻的电流值与之前预设间隔时刻的电流值作差，并取绝对值，得到该时刻的电流变化量；获取模块，所述获取模块用于获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值；确定模块，所述确定模块用于根据所述最大值确定比较阈值；第一判断模块，所述第一判断模块用于判断当前时刻电流变化量是否大于所述比较阈值，并在当前时刻电流变化量大于所述比较阈值时，判定所述待检测关节发生碰撞。

根据本发明的机器人的碰撞检测装置，采集模块采集机器人待检测关节的电流值，计算模块对当前时刻与预设间隔时刻的电流值作差，取绝对值处理，得到相应的电流变化量，获取模块获取电流变化量的最大值，确定模块电流变化量的最大值确定比较阈值，第一判断模块根据比较阈值与当前时刻电流变化量的比较结果，判定待检测关节是否发生碰撞，由此，能够有效避免碰撞误检测，无需考虑动力学模型及摩擦力情况，成本较低，且易于实现。

另外，根据本发明上述实例提出的机器人的碰撞检测装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述获取模块具体用于对每一时刻的电流变化量进行存储，并取所述存储空间中前第二预设数量的电流变化量的最大值，其中，存储空间满足第一预设数量的电流变化量的存储且遵循先进先出原则，所述第二预设数量小于所述第一预设数量。

根据本发明的一个实施例，所述机器人的碰撞检测装置还包括第二判断模块，所述第二判断模块用于判断所述待检测关节是否发生速度换向或加速度突变，所述获取模块在所述第二判断模块判定发生速度换向或加速度突变时，不对换向或突变前后的多个电流变化量进行存储，并在换向或突变后的多个时刻，将上一个最大值作为当前的最大值。

根据本发明的一个实施例，所述确定模块具体用于将所述最大值加上预设值得到所述比较阈值。

为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出的机器人包括第二方面实施例提出的机器人的碰撞检测装置。

根据本发明实施例的机器人，通过使用上述实施例的机器人的碰撞检测装置，能够有效避免碰撞误检测，无需考虑动力学模型及摩擦力情况，成本较低，且易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例的机器人的碰撞检测方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的机器人的单关节发生碰撞时的电流值、波门和电流变化量关系示意图；

图3为本发明一个实施例的机器人的六个关节电流变化量示意图；

图4为本发明一个实施例的机器人的第一关节电流值和电流变化量关系示意图；

图5为本发明一个实施例的机器人的第二关节电流值和电流变化量关系示意图；

图6为本发明一个实施例的机器人的第三关节电流值和电流变化量关系示意图；

图7为本发明一个具体实施例的机器人的碰撞检测方法的流程图；

图8为本发明实施例的机器人的碰撞检测装置的方框示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例的机器人的碰撞检测方法包括以下步骤：

S1，采集机器人的待检测关节的电流值。

在本发明的一个实施例中，可实时采集一段时间内机器人的待检测关节的电流值，并对每个关节检测到的电流值分别做好相应记录。例如，可使用软件进行数据采集，并做好相应的图表记录，以便后续使用。

S2，在每一时刻，将该时刻的电流值与之前预设间隔时刻的电流值作差，并取绝对值，得到该时刻的电流变化量。

例如，可将该时刻的电流值与前一相邻时刻的电流值作差，或者可将该时刻的电流值与上上时刻的电流值作差。

S3，获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值。

在本发明的一个实施例中，可对每一时刻的电流变化量进行存储，其中，存储空间满足第一预设数量的电流变化量的存储且遵循先进先出原则，接着可取存储空间中前第二预设数量的电流变化量的最大值，作为连续多个时刻的电流变化量的最大值，其中，第二预设数量小于第一预设数量。

在本发明的一个实施例中，判断待检测关节是否发生速度换向或加速度突变，如果发生速度换向或加速度突变，则不对换向或突变前后的多个电流变化量进行存储，并在换向或突变后的多个时刻，将上一个最大值作为当前的最大值。

S4，根据最大值确定比较阈值。

具体地，可将已获取的电流变化量的最大值作为参考，并根据机器人运动的碰撞等级，加上一个合适的预设值，从而得到比较阈值。由于比较阈值是在电流变化量的基础上增加一定预设值得到的，因此比较阈值会随电流变化量的变化而做出相应的变化，从而不需要知道精确的动力学模型和摩擦力情况。

S5，判断当前时刻电流变化量是否大于比较阈值。

S6，如果当前时刻电流变化量大于比较阈值，则判定待检测关节发生碰撞。

在本发明的一个具体实施例中，单关节发生碰撞时的波门和电流变化量关系如图2所示，其中，波门是由连续的比较阈值构成的波形。由图2可知，在未发生碰撞时，电流变化量一直小于波门，当发生碰撞时，电流变化量大于波门，并且波门随着电流变化量的变化而变化，所以波门可以很好地检测到碰撞。当电流变化量大于波门，则可判定发生碰撞。

进一步地，在判定发生碰撞后，可控制机器人保持不动，之后可以根据实际需求选择是否继续运行。图2中直线部分即是发生碰撞后，先控制机器人保持不动一段时间，然后控制机器人继续运行。在本发明的一个实施例中，如图3所示，碰撞时刻可以从电流变化量突变值较大的点中得到，发生碰撞时，电量变化量大于比较阈值，未发生碰撞时，电流变化量小于比较阈值且相对稳定，图中电流变化量数值较高的时刻，就是发生碰撞的时刻。如图4、图5和图6所示，可知在未进行碰撞时也会出现突变值较大的量，其具体产生的原因是速度换向或加速度突变。为了避免上述情况导致误检，可将波门提高，并且由于电流采样速率高，可利用滞后检测的方法，将当前电流值改为历史电流值，因为滞后几个周期对碰撞实时性影响极其有限，所以可通过引入几个周期的滞后，来避免因速度换向或加速度突变导致的误检，由此，可有效避免机器人碰撞检测的误检，同时还能确保该检测功能继续运转。此外，由于不同关节的电流变化范围不一致，对每个关节可分别按上述方式确定对应的比较阈值。

在本发明的一个具体实施例中，如图7所示，机器人的碰撞检测方法包括以下步骤：

S101，判断加速度是否突变，速度是否换向。如果没有突变或换向，则执行S102，否则执行S103。

S102，采集电流值并对相邻电流值作差，求取绝对值。

S103，将前一时刻得到的电流变化量最大值作为本次结果。

S104，判断存储空间是否达到存储上限。如果达到存储上限，则执行S105，否则执行S106。

S105，按照先进先出原则存储数据到存储空间。

S106，保存计算结果。例如，可保存50个计算结果。

S107，获取计算结果的最大值。例如，可取所保存的前40个计算结果的最大值作为参考，以此来估算比较阈值。

S108，获取比较阈值。可将已获取的电流变化量的最大值作为参考，加上一个合适值，以获取比较阈值，该合适值可根据机器人运动的碰撞等级选取。

S109，判断当前值是否大于比较阈值。如果当前值大于比较阈值，则执行S110，否则结束流程。

S110，确认进入碰撞状态。

根据本发明的机器人的碰撞检测方法，通过采集机器人待检测关节的电流值，并对其当前时刻与预设间隔时刻的电流值作差取绝对值处理，得到相应的电流变化量，基于连续时间段的电流变化量的最大值确定比较阈值，将当前时刻电流变化量与比较阈值进行比较，根据比较结果判定待检测关节是否发生碰撞，由此，能够有效避免碰撞误检测，无需考虑动力学模型及摩擦力情况，成本较低，且易于实现。

为实现上述实施例的机器人的碰撞检测方法，本发明还提出一种机器人的碰撞检测装置。

如图8所示，本发明实施例的机器人的碰撞检测装置包括：采集模块10、计算模块20、获取模块30、确定模块40和第一判断模块50。其中，采集模块10用于采集机器人的待检测关节的电流值；计算模块20用于在每一时刻，将该时刻的电流值与之前预设间隔时刻的电流值作差，并取绝对值，得到该时刻的电流变化量。获取模块30用于获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值；确定模块40用于根据最大值确定比较阈值；第一判断模块50用于判断当前时刻电流变化量是否大于比较阈值，并在当前时刻电流变化量大于比较阈值时，判定待检测关节发生碰撞。

在本发明的一个实施例中，采集模块10可实时采集一段时间内机器人的待检测关节的电流值，并可对每个关节检测到的电流值分别做好相应记录。采集模块10可使用软件进行数据采集，并做好相应的图表记录，以便后续使用。

进一步地，计算模块20可将该时刻的电流值与相邻时刻的电流值作差，或者可将该时刻的电流值与上上时刻得电流值作差，并对作差结果取绝对值，以得到该时刻的电流变化量。

在本发明的一个实施例中，获取模块30具体可用于对每一时刻的电流变化量进行存储，并取存储空间中前第二预设数量的电流变化量的最大值，其中，存储空间满足第一预设数量的电流变化量的存储且遵循先进先出原则，第二预设数量小于第一预设数量。

另外，本发明实施例的机器人的碰撞检测装置还可包括第二判断模块60，第二判断模块60可用于判断待检测关节是否发生速度换向或加速度突变，获取模块30可在第二判断模块判定发生速度换向或加速度突变时，不对换向或突变前后的多个电流变化量进行存储，并在换向或突变后的多个时刻，将上一个最大值作为当前的最大值。

在本发明的一个实施例中，确定模块40具体用于将最大值加上预设值得到比较阈值，具体地，可将已获取的电流变化量的最大值作为参考，并根据机器人运动的碰撞等级，加上一个合适的预设值，从而得到比较阈值。由于比较阈值是在电流变化量的基础上增加一定预设值得到的，因此比较阈值会随电流变化量的变化而做出相应的变化，从而不需要知道精确的动力学模型和摩擦力情况。

进一步地，第一判断模块50可判断当前时刻电流变化量是否大于比较阈值，并在当前时刻电流变化量大于比较阈值时，判定待检测关节发生碰撞。单关节发生碰撞时的波门和电流变化量关系如图2所示，其中，波门是由连续的比较阈值构成的波形。由图2可知，在未发生碰撞时，电流变化量一直小于波门，当发生碰撞时，电流变化量大于波门，并且波门随着电流变化量的变化而变化，所以波门可以很好地检测到碰撞。当电流变化量大于波门，第一判断模块50可判定发生碰撞。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，碰撞时刻可以从电流变化量突变值较大的点中得到，发生碰撞时，电量变化量大于比较阈值，未发生碰撞时，电流变化量小于比较阈值且相对稳定，图中电流变化量数值较高的时刻，即是发生碰撞的时刻。如图4、图5和图6所示，可知在未进行碰撞时也会出现突变值较大的量，其具体产生的原因是速度换向或加速度突变，为了避免上述情况导致误检，可将波门提高，并且由于电流采样速率高，可利用滞后检测的方法，将当前电流值改为历史电流值，滞后几个周期对碰撞实时性影响极其有限，通过引入几个周期的滞后，可有效避免因速度换向或加速度突变导致的误检，由此，可有效避免机器人碰撞检测的误检，同时还能确保该检测功能继续运转。此外，由于不同关节的电流变化范围不一致，对每个关节可分别按上述方式确定对应的比较阈值。

根据本发明的机器人的碰撞检测装置，采集模块采集机器人待检测关节的电流值，计算模块对当前时刻与预设间隔时刻的电流值作差，取绝对值处理，得到相应的电流变化量，获取模块获取电流变化量的最大值，确定模块电流变化量的最大值确定比较阈值，第一判断模块根据比较阈值与当前时刻电流变化量的比较结果，判定待检测关节是否发生碰撞，由此，能够有效避免碰撞误检测，无需考虑动力学模型及摩擦力情况，成本较低，且易于实现。

对应上述实施例，本发明还提出一种机器人。

本发明提出的机器人，包括上述实施例提出的机器人的碰撞检测装置，其具体实施方式可参照上述实施例，为避免冗余，在此不再赘述。

根据本发明的机器人，通过采用上述实施例的机器人的碰撞检测装置，能够有效避免碰撞误检测，无需考虑动力学模型及摩擦力情况，成本较低，且易于实现。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种机器人的碰撞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集所述机器人的待检测关节的电流值；

在每一时刻，将该时刻的电流值与之前预设间隔时刻的电流值作差，并取绝对值，得到该时刻的电流变化量；

获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值；

根据所述最大值确定比较阈值；

判断当前时刻电流变化量是否大于所述比较阈值；

如果当前时刻电流变化量大于所述比较阈值，则判定所述待检测关节发生碰撞。

2.根据权利要求1所述的机器人的碰撞检测方法，其特征在于，获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值，具体包括：

对每一时刻的电流变化量进行存储，其中，存储空间满足第一预设数量的电流变化量的存储且遵循先进先出原则；

取所述存储空间中前第二预设数量的电流变化量的最大值，其中，所述第二预设数量小于所述第一预设数量。

3.根据权利要求2所述的机器人的碰撞检测方法，其特征在于，还包括：

判断所述待检测关节是否发生速度换向或加速度突变；

如果发生速度换向或加速度突变，则不对换向或突变前后的多个电流变化量进行存储，并在换向或突变后的多个时刻，将上一个最大值作为当前的最大值。

4.根据权利要求3所述的机器人的碰撞检测方法，其特征在于，其中，所述最大值加上预设值得到所述比较阈值。

5.一种机器人的碰撞检测装置，其特征在于，包括：

采集模块，所述采集模块用于采集所述机器人的待检测关节的电流值；

计算模块，所述计算模块用于在每一时刻，将该时刻的电流值与之前预设间隔时刻的电流值作差，并取绝对值，得到该时刻的电流变化量；

获取模块，所述获取模块用于获取当前时刻之前连续多个时刻的电流变化量的最大值；

确定模块，所述确定模块用于根据所述最大值确定比较阈值；

第一判断模块，所述第一判断模块用于判断当前时刻电流变化量是否大于所述比较阈值，并在当前时刻电流变化量大于所述比较阈值时，判定所述待检测关节发生碰撞。

6.根据权利要求5所述的机器人的碰撞检测装置，其特征在于，所述获取模块具体用于对每一时刻的电流变化量进行存储，并取存储空间中前第二预设数量的电流变化量的最大值，其中，存储空间满足第一预设数量的电流变化量的存储且遵循先进先出原则，所述第二预设数量小于所述第一预设数量。

7.根据权利要求6所述的机器人的碰撞检测装置，其特征在于，还包括：

第二判断模块，所述第二判断模块用于判断所述待检测关节是否发生速度换向或加速度突变，

所述获取模块在所述第二判断模块判定发生速度换向或加速度突变时，不对换向或突变前后的多个电流变化量进行存储，并在换向或突变后的多个时刻，将上一个最大值作为当前的最大值。

8.根据权利要求7所述的机器人的碰撞检测装置，其特征在于，所述确定模块具体用于将所述最大值加上预设值得到所述比较阈值。

9.一种机器人，其特征在于，包括根据权利要求5-8中任一项所述的机器人的碰撞检测装置。

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