CN111203885A - 机器人的关节力矩的确定方法及装置、电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种机器人的关节力矩的确定方法及装置、电子设备。其中，该方法包括：获取目标机器人各个关节处的柔性参数，并基于该柔性参数构建柔性机器人模型；控制所述柔性机器人模型按照预设轨迹运动；采集所述柔性机器人模型在运动过程中各个关节所需的力矩，并基于采集到的力矩确定所述目标机器人的第一目标力矩。本申请解决了相关技术中目前的机器人生产过程中存在的关节力矩的设计理论值和实际值偏差较大的技术问题。

Description

机器人的关节力矩的确定方法及装置、电子设备

技术领域

本申请涉及机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种机器人的关节力矩的确定方法及装置、电子设备。

背景技术

在相关技术中，目前大多数工业机器人的传动方式都为电机加齿轮(或同步带)加减速机的传动结构，由于电机、齿轮(同步带)、减速机都具有一定程度的柔性，机器人在运动过程中，加减速、连杆自重以及负载的变化都会使机器人关节产生弹性变形，进而影响机器人关节驱动力。在机器人本体结构设计阶段，一个关键任务是电机减速机的匹配选型和零部件的强度校核，而电机减速机的匹配选型的相关计算和零部件的强度校核的核心依据就是机器人的关节力矩，因此机器人关节力矩值的准确性对于机器人的研发设计是至关重要的。

然而，目前在设计阶段计算机器人关节力矩都是把零部件当作刚体进行计算，这种计算方法在计算静态关节力矩的时候是比较接近真实值的，但是计算机器人动态运行过程中，特别是运行轨迹速度高，加减速明显的工况，其计算值和实际值相差甚大，具体体现在计算值，和用伺服软件提取出来的关节力矩值比较偏差较大，不能十分有效的指导机器人的生产过程。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种机器人的关节力矩的确定方法及装置、电子设备，以至少解决相关技术中目前的机器人生产过程中存在的关节力矩的设计理论值和实际值偏差较大的技术问题。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种机器人种机器人的关节力矩的确定方法，包括：获取目标机器人各个关节处的柔性参数，并基于该柔性参数构建柔性机器人模型；控制所述柔性机器人模型按照预设轨迹运动；采集所述柔性机器人模型在运动过程中各个关节所需的力矩，并基于采集到的力矩确定所述目标机器人的第一目标力矩。

可选地，在构建柔性机器人模型之前，所述确定方法还包括：获取所述目标机器人中多个传动部件的刚度值，其中，所述多个传动部件包括：电机、齿轮以及减速机；基于所述多个传动部件的刚度值，计算所述目标机器人各个关节的刚度值总和；基于所述刚度值总和，确定构建所述柔性机器人模型的刚度系数。

可选地，基于该柔性参数构建柔性机器人模型包括：获取所述各个关节的相对转角，其中，所述相对转角指示所述目标机器人的至少两个零部件在预设方向上的转角值；至少基于所述刚度系数、角度转换函数和各个关节的相对转角，确定各个关节的实时扭矩值；基于所述各个关节的实时扭矩值，构建所述柔性机器人模型。

可选地，所述目标机器人各个关节为柔性关节，所述目标机器人的各传动链上的零部件之间串联连接有所述柔性关节。

可选地，获取目标机器人各个关节处的柔性参数，包括：将所述柔性关节简化为扭转弹簧；获取所述扭转弹簧的刚度系数和阻尼系数；基于所述扭转弹簧的刚度系数和阻尼系数确定所述柔性参数。

可选地，所述确定方法还包括：构建刚性机器人模型，其中，所述刚性机器人模型为基于所述目标机器人关节处进行刚性连接时的刚性参数；控制所述刚性机器人模型沿着所述预设轨迹运行，并采集所述刚性机器人模型各个关节所需的第二目标力矩；对比展示所述第一目标力矩和第二目标力矩。

可选地，上述方法还包括：确定所述第一目标力矩和第二目标力矩的差异；在所述差异小于预设阈值时，生成告警信息

根据本申请实施例的另一个方面，提供了一种机器人的关节力矩的确定装置，包括：构建模块，用于获取目标机器人各个关节处的柔性参数，并基于该柔性参数构建柔性机器人模型；控制模块，用于控制所述柔性机器人模型按照预设轨迹运动；采集模块，用于采集所述柔性机器人模型在运动过程中各个关节所需的力矩；确定模块，用于基于采集到的力矩确定所述目标机器人的第一目标力矩。

可选地，所述确定方法还包括：确定所述第一目标力矩和第二目标力矩的差异；在所述差异小于预设阈值时，对所述柔性机器人模型的柔性参数进行修正

根据本申请实施例的又一个方面，提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器；以及存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行以上所述的机器人的关节力矩的确定方法。

根据本申请实施例的再一个方面，提供了一种非易失性存储介质，所述存储介质用于存储程序，其中，所述程序在被处理器执行时控制所述存储介质所在设备执行以上所述的机器人的关节力矩的确定方法。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述任意一项所述的机器人轨迹精度的确定方法。

在本申请实施例中，基于机器人各个关节处的柔性参数构建柔性机器人模型，并采集柔性机器人模型按照预设轨迹运动时各个关节的力矩，从而基于采集到的力矩确定目标机器人的第一目标力矩，由于在计算机器人的力矩时考虑了关节处的柔性参数，因此，可以使得目标机器人的生产设计参数更加接近实际情况，从而解决相关技术中目前的机器人生产过程中存在的关节力矩的设计理论值和实际值偏差较大的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的一种机器人的关节力矩的确定方法的流程图；

图2是本申请实施例的一种机器人的关节力矩的确定装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为便于用户理解本申请，下面对本申请各实施例中涉及的部分术语或名词做出解释：

ADAMS，Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，即机械系统动力学自动分析软件，使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型。

关节，指机器人两个部件之间的连接位置，如门和门框连接用的活页等类似部位。

柔性关节，指机器人的各个转动关节，例如6轴机器人，就有6个关节。

样条插值函数，用于将待拟合的多个点拟合成一条光滑连续的曲线。

扭转角，指关节由于存在柔性，在力矩的作用下产生的关节弹性扭转角。一端固定另一端用力扭，就会得到该扭转角。

本申请实施例提供的方案，可以应用于各种机器人，尤其是对于执行工业生产、轨迹行走的机器人，有效考虑机器人在运行过程中由于关节刚性导致的力矩偏差较大，提高力矩计算的精度，完善机器人的精度性能，同样可以拓宽机器人的应用场合。

本申请实施例中的机器人至少包括：机械部分、传动部分、控制部分，其中，机械部分会包括如机座、机械臂、末端操作器等零部件，而传动部分会包括如电机、齿轮、减速机等传动部件，每两个零部件之间都可以连接多个传动部件(如包括电机、齿轮、减速机串联连接)，每一部分传动部件(包括串联连接的电机、齿轮、减速机)对应一个机器人关节(可以理解为柔性关节)，控制部分会包括如伺服控制系统等。下面对本申请各实施例进行详细说明。

根据本申请实施例，提供了一种机器人的关节力矩的确定方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本申请实施例的一种机器人的关节力矩的确定方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，获取目标机器人各个关节处的柔性参数，并基于该柔性参数构建柔性机器人模型；

步骤S104，控制所述柔性机器人模型按照预设轨迹运动；

步骤S106，采集所述柔性机器人模型在运动过程中各个关节所需的力矩，并基于采集到的力矩确定所述目标机器人的第一目标力矩。

通过上述步骤，基于机器人各个关节处的柔性参数构建柔性机器人模型，并采集柔性机器人模型按照预设轨迹运动时各个关节的力矩，从而基于采集到的力矩确定目标机器人的第一目标力矩，由于在计算机器人的力矩时考虑了关节处的柔性参数，因此，可以使得目标机器人的生产设计参数更加接近实际情况，从而解决相关技术中目前的机器人生产过程中存在的关节力矩的设计理论值和实际值偏差较大的技术问题。

下面通过一个具体实施例进行详细说明。

在本申请的一些实施例中，在构建柔性机器人模型之前，还可以执行以下处理过程：获取目标机器人中多个传动部件的刚度值，其中，多个传动部件包括：电机、齿轮以及减速机；基于多个传动部件的刚度值，计算目标机器人各个关节的刚度值总和；基于刚度值总和，确定构建柔性机器人模型的刚度系数。

在计算目标机器人各个关节的刚度值总和时，首选需要分别计算各传动部件的各个刚度值，如通过电机的选型手册可得到电机的刚度值；齿轮的刚度计算方式可以理解为每个齿轮轮齿的刚度之和：K_齿轮＝∑K_齿i，对于每个齿轮的刚度，可以表示为：

其中，1：齿轮节径；a：齿根高；b：端面宽度；h：齿根处齿宽；E：弹性模量。通过减速机选型手册可得到减速机的刚度值。

在得到上述各个传动部件的刚度值后，可以得到关节刚度值总和，由于传动部件(至少包括电机、齿轮以及减速机)在关节的传动链中是以串联的形式连接在一起的，则计算关节的刚度值总和为：

其中，K为关节的刚度值总和，K1为电机的刚度值；K₂为各个齿轮的总刚度值；K₃为减速机的刚度值。

在得到关节的刚度值总和后，可以构建柔性机器人模型。

步骤S102中，本申请实施例可以通过预设软件(如ADAMS)来构建柔性机器人模型。其中，柔性机器人模型主要是针对具有柔性铰链的机器人模型。

上述目标机器人各个关节为柔性关节，目标机器人的各传动链上的零部件之间串联连接有柔性关节。

在本申请实施例中，可以将柔性关节简化为扭转弹簧连接。

在表示机器人的关节柔性特性时，包括三种方式：

第一种方式，直接采用扭转弹簧表示，即只需要设置扭转弹簧的刚度系数和阻尼系数即可。

对应于该第一种关节柔性特性，确定第一种构建柔性机器人模型的方式，可选地，构建柔性机器人模型包括：获取扭转弹簧的刚度系数和阻尼系数；基于扭转弹簧的刚度系数和阻尼系数，构建柔性机器人模型。

上述机器人的柔性关节适合线性柔性关节。

在本申请实施例中，还可以利用样条插值函数来表示扭转角与扭转力矩之间的非线性关系。

第二种方式，使用扭转力矩(简称为扭矩)间接表示，只需定义力矩的函数即可。在该第二种方式中，关节为线性柔性关节。

作为本申请一些可选的的实施例中，通过以下方式构建柔性机器人模型：获取各个关节的相对转角，其中，相对转角指示目标机器人的至少两个零部件在预设方向上的转角值；至少基于刚度系数、角度转换函数和各个关节的相对转角，确定各个关节的实时扭矩值；基于各个关节的实时扭矩值，构建柔性机器人模型。

在本申请另一可选的实施方式中，至少基于各个关节的相对转角，确定各个关节的实时扭矩值的步骤，包括：获取刚度系数和角度转换函数；基于刚度系数、相对转角和角度转换函数，计算各个关节的实时扭矩值。

例如，以K作为刚度系数，RTOD为角度转换函数(可以为弧度转换为角度的函数)，AZ(MARKER_1,MARKER_2)为相对转角，该相对转角可以指示两零部件(或两物体)在预设方向(如X，Y，Z三个立体方向中的Z方向)上的相对转角。在实时扭矩值可以通过扭转力矩函数表示，该扭转力矩函数定义为：K*AZ(MARKER_1,MARKER_2)*RTOD，其中K为刚度系数，AZ(MARKER_1,MARKER_2)为两物体在Z方向的相对转角,RTOD为弧度转换为角度函数。

通过上述两种方式，可以分别表示机器人的关节柔性的特性，这样就可以分别构建柔性机器人模型，当然，在本申请实施例中，由于第二种方式同时考虑到刚度系数、相对转角和角度转换函数，求取的精度更高，为本申请的优选实施方案。

当然，本申请实施例中还可以同时利用上述两种方式，确定机器人的关节柔性的特性，例如，采用第一种方法定义扭转弹簧的线性部分，采用第二种方式定义扭转弹簧的非线性部分。

在本申请实施例中，在通过上述方式构建完成柔性机器人模型后，还可以构建刚性机器人模型：以目标机器人各零部件作为标准刚体，构建刚性机器人模型。即可以将机器人的各零部件视为理想的刚体，在预设软件中建立理想的纯刚性机器人模型。

在本申请的一些实施例中，为了更好地体现柔性机器人模型的优点，还可以构建刚性机器人模型，其中，刚性机器人模型为基于目标机器人关节处进行刚性连接时的刚性参数；控制刚性机器人模型沿着预设轨迹运行，并采集刚性机器人模型各个关节所需的第二目标力矩；对比展示第一目标力矩和第二目标力矩。其中，对比展示包括但不限于将两种模型的各个关节的力矩在同一界面中进行同时进行展示。

另外，为了保证计算结果的准确性，在本申请的另一些实施例中，还可以确定第一目标力矩和第二目标力矩的差异；在差异小于预设阈值时，生成告警信息。由于关节处采用刚性连接的方式设置的机器人模型和实际的机器人的关节力矩不同，并且，往往偏差比较大，因此，如果两种模型计算得到的力矩差异较小，或者，没有差异，则认为当前的柔性机器人的柔性参数设置是有问题的，需要进行修正或调整。

在本申请的一些实施例中，还可以通过柔性机器人模型和刚性机器人模型控制目标机器人沿着上述预设轨迹移动，或者，控制机器人的机械臂末端眼中上述预设轨迹移动。

可选地，预设轨迹包括下述至少之一：曲线轨迹、直线轨迹、折线轨迹。

下面通过另一种可选的实施例来说明本申请。

本申请实施例提供了另一种可选的机器的关节力矩的确定方法，该方法包括：

步骤201，计算机器人关节总刚度。

步骤203，在ADAMS中构建具有柔性铰链的柔性机器人模型。

步骤207，控制机器人模型运行在预设轨迹线路上。可选的，也可以依据相同的轨迹函数运行。

步骤209，提取各个关节力矩。

步骤211，计算结束。

通过上述实施方式，可以利用ADAMS软件构建柔性机器人模型，考虑到机器人的关节柔性，且考虑到机器人在动态运行过程中关节出现的弹性变形，得到机器人更为精准的关节力矩。

图2根据本申请实施例的一种机器人的关节力矩的确定装置的示意图，如图2所示，该确定装置可以包括：

构建模块20，用于获取目标机器人各个关节处的柔性参数，并基于该柔性参数构建柔性机器人模型；

控制模块22，用于控制所述柔性机器人模型按照预设轨迹运动；

采集模块24，用于采集所述柔性机器人模型在运动过程中各个关节所需的力矩；

确定模块26，用于基于采集到的力矩确定所述目标机器人的第一目标力矩。

需要说明的是，上述各个模块可以运行于同一个处理器，或者以任意组合的方式运行于不同的处理器中。

上述的机器人的关节力矩的确定装置还可以包括处理器和存储器，上述各个模块均可以作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

上述处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来确定目标机器人的轨迹精度。

上述存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括：处理器；以及存储器，用于存储处理器的可执行指令；其中，处理器配置为经由执行可执行指令来执行机器人的关节力矩的确定方法。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种存储介质，存储介质用于存储程序，其中，程序在被处理器执行时控制存储介质所在设备执行上述的机器人的关节力矩的确定方法。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述机器人的关节力矩的确定方法。

本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：获取目标机器人各个关节处的柔性参数，并基于该柔性参数构建柔性机器人模型；控制所述柔性机器人模型按照预设轨迹运动；采集所述柔性机器人模型在运动过程中各个关节所需的力矩，并基于采集到的力矩确定所述目标机器人的第一目标力矩。

可选的，在数据处理设备上执行时，还适于执行初始化有如下方法步骤的程序：获取所述目标机器人中多个传动部件的刚度值，其中，所述多个传动部件包括：电机、齿轮以及减速机；基于所述多个传动部件的刚度值，计算所述目标机器人各个关节的刚度值总和；基于所述刚度值总和，确定构建所述柔性机器人模型的刚度系数。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)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、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人的关节力矩的确定方法，其特征在于，包括：

获取目标机器人各个关节处的柔性参数，并基于该柔性参数构建柔性机器人模型；

控制所述柔性机器人模型按照预设轨迹运动；

采集所述柔性机器人模型在运动过程中各个关节所需的力矩，并基于采集到的力矩确定所述目标机器人的第一目标力矩。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，在构建柔性机器人模型之前，所述确定方法还包括：

获取所述目标机器人中多个传动部件的刚度值，其中，所述多个传动部件包括：电机、齿轮以及减速机；

基于所述多个传动部件的刚度值，计算所述目标机器人各个关节的刚度值总和；

基于所述刚度值总和，确定构建所述柔性机器人模型的刚度系数。

3.根据权利要求2所述的确定方法，其特征在于，基于该柔性参数构建柔性机器人模型包括：

获取所述各个关节的相对转角，其中，所述相对转角指示所述目标机器人的至少两个零部件在预设方向上的转角值；

至少基于所述刚度系数、角度转换函数和各个关节的相对转角，确定各个关节的实时扭矩值；

基于所述各个关节的实时扭矩值，构建所述柔性机器人模型。

4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述目标机器人各个关节为柔性关节，所述目标机器人的各传动链上的零部件之间串联连接有所述柔性关节。

5.根据权利要求4所述的确定方法，其特征在于，获取目标机器人各个关节处的柔性参数，包括：

将所述柔性关节简化为扭转弹簧；

获取所述扭转弹簧的刚度系数和阻尼系数；

基于所述扭转弹簧的刚度系数和阻尼系数确定所述柔性参数。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的确定方法，其特征在于，

所述确定方法还包括：构建刚性机器人模型，其中，所述刚性机器人模型为基于所述目标机器人关节处进行刚性连接时的刚性参数；控制所述刚性机器人模型沿着所述预设轨迹运行，并采集所述刚性机器人模型各个关节所需的第二目标力矩；对比展示所述第一目标力矩和第二目标力矩。

7.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，所述确定方法还包括：

确定所述第一目标力矩和第二目标力矩的差异；在所述差异小于预设阈值时，生成告警信息。

8.一种机器人的关节力矩的确定装置，其特征在于，包括：

构建模块，用于获取目标机器人各个关节处的柔性参数，并基于该柔性参数构建柔性机器人模型；

控制模块，用于控制所述柔性机器人模型按照预设轨迹运动；

采集模块，用于采集所述柔性机器人模型在运动过程中各个关节所需的力矩；

确定模块，用于基于采集到的力矩确定所述目标机器人的第一目标力矩。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1至7中任意一项所述的机器人的关节力矩的确定方法。

10.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述存储介质用于存储程序，其中，所述程序在被处理器执行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1至7中任意一项所述的机器人的关节力矩的确定方法。

Images