CN111347416B - 一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法，包括以下步骤：步骤1、根据每个运动轴的结构特性标定相应的碰撞阈值Gm；步骤2、当检查机器人动作时，驱动器实时采集各编码器信号和电机电流信号；步骤3、将驱动器采集的编码器信号和电流信号通过工业总线传输至控制器，根据设定的速度值Ecom和反馈的编码器信号Ep计算实时位置的误差绝对值E(n)。本发明可基于机器人的通用运动控制系统实现碰撞检测参数的采集，无需额外增加扭矩传感器、视觉传感器等外部器件，该方法整体简单方便。

Description

一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法
技术领域
本发明属于机器人领域，尤其涉及核环境等特殊复杂工况下的机器人应用领域，具体涉及一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法。
背景技术
核反应堆压力容器是核动力装置一回路压力边界的重要设备，在核电站全寿期内压力容器不可更换，相关法规明确规定必须对其役前和在役实施检查。核反应堆压力容器智能检查机器人为固定支撑式核反应堆压力容器检查装置，其可对压力容器实施超声、视频和射线检查。由于核反应堆压力容器处于复杂的特殊环境，机器人在对压力容器实施检测过程中存在较大的碰撞风险，因此研究核反应堆压力容器检查机器人碰撞检测技术非常有必要。
在通用关节工业机器人上传统的通过外部关节扭矩传感器等基于外部传感器信号的碰撞保护方法难以实现，且在核电复杂工况下可靠性不高。本方法基于现有驱动器采集的各运动轴电流信号和位置跟随误差信号，在控制器中通过电流和位置误差信号计算碰撞当量以实现在发生碰撞时对被检对象和设备自身的保护。
发明内容
本发明的目的在于：针对核反应堆压力容器检测的高安全性和高可靠性要求，本发明提出一种应用于固定支撑式反应堆压力容器检查机器人的碰撞检测方法，该方法可大大降低碰撞导致的机器人本体和被检对象损坏程度，大幅提高检测机器人的安全性。
本发明的技术方案如下：一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法，所述的检查机器人包括电机位置检测编码器、驱动器、控制器和机械执行单元；控制器与驱动器之间通过工业总线连接成网络结构，控制指令和采集的信息数据通过工业总线传输；控制器接收操作人员输入的指令，通过驱动器实现对机械执行单元的运动控制；所述的机器人碰撞检测方法，包括以下步骤：
步骤1、根据每个运动轴的结构特性标定相应的碰撞阈值Gm；
步骤2、当检查机器人动作时，驱动器实时采集各编码器信号和电机电流信号；
步骤3、将驱动器采集的编码器信号和电流信号通过工业总线传输至控制器，根据设定的速度值Ecom和反馈的编码器信号Ep计算实时位置的误差绝对值E(n)；
E(n)＝|Ecom-Ep|
步骤4、控制器根据位置误差绝对值E(n)和电流绝对值I(n)，实时计算碰撞当量G(n)；
步骤5、比较Gm与G(n)的大小，当G(n)＞Gm时，控制器判定为发生碰撞，将控制器内部的碰撞标志位设置为1；
步骤6、控制器实时检测碰撞标志，当检测到标志位为1时，启动碰撞保护程序，执行相应的保护流程。
进一步的，所述的工业总线为EtherCAT工业总线。
进一步的，步骤3中，驱动器通过I/O口实时采集各编码器信号和电机电流信号。
进一步的，步骤5中，所述的碰撞当量G(n)具体表示如下：
G(n)＝kn×E(n)×I(n)
式中，kn为碰撞当量系数，E(n)为位置误差绝对值，I(n)为电流绝对值。
进一步的，所述的kn，根据检查机器人各运动轴的实际结构不同，通过试验标定取得，具体计算如下：
Figure BDA0001917344830000031
式中，常数Gm为归一化碰撞阈值，根据不同运动组件的碰撞情况进行标定；Em(n)、Im(n)为标定碰撞条件下的位置误差最大值和电流最大值。
进一步的，当检查机器人正常工作时，各运动轴处于平滑轨迹运行状态，当出现位置误差时，电流绝对值I(n)将会短时平稳增大，使位置误差E(n)减少，因而碰撞当量G(n)变化平稳。
进一步的，当检查机器人发生碰撞时，电流信号和误差信号将会同时瞬间增大，由此会导致碰撞当量G(n)瞬时变化非常大，若G(n)超过事先标定的归一化碰撞阈值Gm，则表明检测机器人发生碰撞。
本发明的显著效果在于：
(1)本方法可基于机器人的通用运动控制系统实现碰撞检测参数的采集，无需额外增加扭矩传感器、视觉传感器等外部器件，该方法整体简单方便；
(2)本方法采用的当量碰撞算法对控制系统硬件计算要求非常低，计算周期短，可快速检测识别碰撞特征，非常适合在工程实际中应用；
(3)与关节电流检测等单输入参数方法相比，采用当量碰撞检测方法可以实现在核反应堆压力容器检查过程等复杂载荷工况下对碰撞判断较高的准确性，大幅降低系统误判率。
附图说明
图1为当量碰撞检测原理图；
图2为本发明所述的一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法地流程示意图；
图3为第一组模拟实验位置误差-时间曲线图；
图4为第一组模拟实验电流-时间曲线图；
图5为第一组模拟实验碰撞当量-时间曲线图；
图6为第二组模拟实验位置误差-时间曲线图；
图7为第二组模拟实验电流-时间曲线图；
图8为第二组模拟实验碰撞当量-时间曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明所述的一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法作进一步详细说明。
本发明针对核反应堆压力容器智能检查机器人的结构特点和实际使用工况，提出一种基于电机电流和位置误差的当量碰撞检测方法。该方法将各运动轴驱动器采集的实时电流和位置误差信号作为输入计算碰撞当量，根据碰撞当量是否超过碰撞阈值来判断碰撞的发生。执行机构在发生碰撞时，伺服驱动器会产生瞬时大电流来驱动执行电机达到指定位置，通过结合位置误差信号变化，可以判断电流瞬时突变是电机的正常运行而产生的还是由于发生碰撞，以此来实现碰撞特征提取。当量碰撞检测基本原理如图1所示。
本发明所应用的碰撞特征，是基于驱动器采集的电流信号和位置误差信号，通过将其结合为一个标量，以作为评判碰撞的当量，碰撞当量G(n)具体表示如下：
G(n)＝kn×E(n)×I(n)
式中，kn为碰撞当量系数，E(n)为位置误差绝对值，I(n)为电流绝对值；
其中，碰撞当量系数kn根据检查机器人各运动轴的实际结构不同，通过试验标定取得，具体计算如下：
Figure BDA0001917344830000051
式中，常数Gm为归一化碰撞阈值，根据不同运动组件的碰撞情况进行标定；Em(n)、Im(n)为标定碰撞条件下的位置误差最大值和电流最大值。
当检查机器人正常工作时，各运动轴处于平滑轨迹运行状态，当出现位置误差时电流值I(n)将会短时平稳增大，使位置误差E(n)减少，因而碰撞标量G(n)变化平稳；
当检查机器人发生碰撞时，电流信号和误差信号将会同时瞬间增大，由此会导致碰撞标量G(n)瞬时变化非常大，若G(n)超过事先标定的归一化碰撞阈值Gm，则表明检测机器人发生碰撞。
如图2所示，一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法，所述的检查机器人包括电机位置检测编码器、驱动器、控制器和机械执行单元；控制器与驱动器之间通过工业总线连接成网络结构，控制指令和采集的信息数据通过工业总线传输；控制器接收操作人员输入的指令，通过驱动器实现对机械执行单元的运动控制；所述的机器人碰撞检测方法，包括以下步骤：
步骤1、根据每个运动轴的结构特性标定相应的碰撞阈值Gm；
步骤2、当检查机器人动作时，驱动器实时采集各编码器信号和电机电流信号；
步骤3、将驱动器采集的编码器信号和电流信号通过工业总线传输至控制器，根据设定的速度值Ecom和反馈的编码器信号Ep计算实时位置的误差绝对值E(n)；
E(n)＝|Ecom-Ep|
步骤4、控制器根据位置误差绝对值E(n)和电流绝对值I(n)，实时计算碰撞当量G(n)；
步骤5、比较Gm与G(n)的大小，当G(n)＞Gm时，控制器判定为发生碰撞，将控制器内部的碰撞标志位设置为1；
步骤6、控制器实时检测碰撞标志，当检测到标志位为1时，启动碰撞保护程序，执行相应的保护流程。
进一步的，所述的工业总线为EtherCAT工业总线。
进一步的，步骤3中，驱动器通过I/O口实时采集各编码器信号和电机电流信号。
进一步的，步骤5中，所述的碰撞当量G(n)具体表示如下：
G(n)＝kn×E(n)×I(n)
式中，kn为碰撞当量系数，E(n)为位置误差绝对值，I(n)为电流绝对值。
进一步的，所述的kn，根据检查机器人各运动轴的实际结构不同，通过试验标定取得，具体计算如下：
Figure BDA0001917344830000061
式中，常数Gm为归一化碰撞阈值，根据不同运动组件的碰撞情况进行标定；Em(n)、Im(n)为标定碰撞条件下的位置误差最大值和电流最大值。
进一步的，当检查机器人正常工作时，各运动轴处于平滑轨迹运行状态，当出现位置误差时，电流绝对值I(n)将会短时平稳增大，使位置误差E(n)减少，因而碰撞当量G(n)变化平稳。
进一步的，当检查机器人发生碰撞时，电流信号和误差信号将会同时瞬间增大，由此会导致碰撞当量G(n)瞬时变化非常大，若G(n)超过事先标定的归一化碰撞阈值Gm，则表明检测机器人发生碰撞。
具体实施例
以两组模拟实验来描述碰撞当量检测方法具体实施及特征表现。
两组实验均是在电机启动正常运转后通过施加不同的载荷来模拟碰撞工况。图4和图7中第5s时电机开始转动，启动瞬间电流突变至0.2～0.3A，但由于系统的位置跟随误差很小，计算得到的碰撞当量几乎可以忽略。因此与单纯通过关节电流检测方法相比，碰撞当量检测方法基本上可以消除电机启动时电流突变导致的碰撞误判。
第一组模拟碰撞曲线图4中，在12～28s时间段内电流多次出现突然增大情况，但在位置误差随时间变化曲线图3中对应电流极大值时刻的位置误差并非都较大，最终形成的碰撞当量曲线图5中只是在18s和26s两个时刻表现比较明显。在实际应用中存在很多类似工况，由于压力容器内表面粗糙度不一致导致的摩擦力变化、末端探头在超声扫查过程中由于结构设计导致的受力不均匀现象等均会引起电流突变，但对应位置的碰撞当量值并非表征出碰撞特征，由此可以大幅提高复杂工况下的碰撞检测准确度。
第二组模拟碰撞曲线图6和图7中，电流和位置误差均出现较大的突变，在当量碰撞曲线图8中表现的碰撞特征非常明显。对比当量碰撞曲线图8和位置误差曲线图6，当量碰撞突变点峰值较位置误差峰值更为尖锐，说明引入电流形成的当量碰撞检测相比单纯位置误差反馈的碰撞信息在时间维度上更为迅速，能更快速判断碰撞的发生，并且有效降低设备损坏程度。

Claims (5)

1.一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法，其特征在于，所述的检查机器人包括电机位置检测编码器、驱动器、控制器和机械执行单元；控制器与驱动器之间通过工业总线连接成网络结构，控制指令和采集的信息数据通过工业总线传输；控制器接收操作人员输入的指令，通过驱动器实现对机械执行单元的运动控制；所述的机器人碰撞检测方法，包括以下步骤：
步骤1、根据每个运动轴的结构特性标定相应的碰撞阈值Gm；
步骤2、当检查机器人动作时，驱动器实时采集各编码器信号和电机电流信号；
步骤3、将驱动器采集的编码器信号和电流信号通过工业总线传输至控制器，根据设定的速度值Ecom和反馈的编码器信号Ep计算实时位置的误差绝对值E(n)；
E(n)＝|Ecom-Ep|
步骤4、控制器根据位置误差绝对值E(n)和电流绝对值I(n)，实时计算碰撞当量G(n)；
所述的碰撞当量G(n)具体表示如下：
G(n)＝kn×E(n)×I(n),
式中，kn为碰撞当量系数，E(n)为位置误差绝对值，I(n)为电流绝对值；
所述的kn，根据检查机器人各运动轴的实际结构不同，通过试验标定取得，具体计算如下：
Figure FDA0003109847120000011
式中，常数Gm为归一化碰撞阈值，根据不同运动组件的碰撞情况进行标定；Em(n)、Im(n)为标定碰撞条件下的位置误差最大值和电流最大值；
步骤5、比较Gm与G(n)的大小，当G(n)＞Gm时，控制器判定为发生碰撞，将控制器内部的碰撞标志位设置为1；
步骤6、控制器实时检测碰撞标志，当检测到标志位为1时，启动碰撞保护程序，执行相应的保护流程。
2.如权利要求1所述的一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法，其特征在于：所述的工业总线为EtherCAT工业总线。
3.如权利要求1所述的一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法，其特征在于：步骤3中，驱动器通过I/O口实时采集各编码器信号和电机电流信号。
4.如权利要求1所述的一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法，其特征在于：当检查机器人正常工作时，各运动轴处于平滑轨迹运行状态，当出现位置误差时，电流绝对值I(n)将会短时平稳增大，使位置误差E(n)减少，因而碰撞当量G(n)变化平稳。
5.如权利要求1所述的一种无外部传感器的检查机器人碰撞检测方法，其特征在于：当检查机器人发生碰撞时，电流信号和误差信号将会同时瞬间增大，由此会导致碰撞当量G(n)瞬时变化非常大，若G(n)超过事先标定的归一化碰撞阈值Gm，则表明检测机器人发生碰撞。
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