CN111376263B - 一种复合机器人人机协作系统及其交叉耦合力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合机器人人机协作系统，包括多核一体化机器人控制器、复合机器人、电机驱动模块、力信息采集模块、位置与速度检测模块以及相机与激光检测模块。本发明还提供了一种复合机器人人机协作系统的交叉耦合力控制方法，将机械臂的力/力矩信息反馈给底盘的力/位混合控制系统，将底盘的力/力矩信息反馈给机械臂的力/位混合控制系统。本发明提供的复合机器人人机协作系统，通过多核一体化机器人控制器的设置，实现复合机器人底盘和机械臂的一体化控制；同时，通过交叉耦合力控制方法，实现机械臂、底盘之间的交叉力信息传递以及人机协作控制；能够实现一体化控制、完成人机协作。

Description

一种复合机器人人机协作系统及其交叉耦合力控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种复合机器人人机协作系统及其交叉耦合力控制方法。

背景技术

复合机器人作为新一代机器人的典型代表，集工业、移动、协作机器人优点于一身，具有人机融合、安全易用、灵敏精准及灵活通用等特征，改变了传统机器人的工作模式，在工业生产、社会服务、康复医疗、特种作业等领域具有广阔的应用前景，已经成为引领未来机器人发展的重要方向。

然而，当前国内外主流复合机器人或移动机械臂往往将机械臂与移动底盘分别独立控制，不能充分发挥复合机器人的性能优势，尤其在人机协作方面，当前的主流复合机器人产品不具备完善的人机协作功能，只是机械臂具有协作功能，而复合机器人不具有整体人机协作功能，不能通过机械臂的牵引实现复合机器人底盘的运动。以德国KUKA公司的KWRiiwa复合机器人为例，其采用全方位Mechanum轮底盘搭载LBR iiwa 7轴协作机械臂组成复合机器人，机械臂具有人机协作功能，而整个复合机器人不具备整体协作功能，牵引机械臂时并能实现移动平台的运动。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种能够实现一体化控制、完成人机协作的复合机器人人机协作系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种复合机器人人机协作系统，包括多核一体化机器人控制器、复合机器人、电机驱动模块、力信息采集模块、位置与速度检测模块以及相机与激光检测模块；所述相机与激光检测模块用于实现对视觉和激光信息的采集并反馈给多核一体化机器人控制器；所述力信息采集模块用于采集关节力矩并反馈给多核一体化机器人控制器；所述位置与速度检测模块用于检测复合机器人的位置和速度信息并反馈给电机驱动模块；所述多核一体化机器人控制器与所述电机驱动模块连接，用于对所述电机驱动模块进行伺服控制；所述多核一体化机器人控制器包括用于完成示教与编程功能的第一控制器核、用于完成复合机器人的运动规划与控制的第二控制器核、用于完成视觉识别和图像分析的第三控制器核以及用于完成激光导航的第四控制器核。

一些实施例中，所述第一控制器核包括示教编程模块，所述第二控制器核包括轨迹规划模块、运动学计算模块、动力学计算模块和力控制模块，所述第三控制器核包括视觉计算模块，所述第四控制器核包括导航模块；所述视觉计算模块接收所述相机与激光检测模块反馈的视觉和激光信息；所述导航模块根据所述视觉和激光信息进行路径计算和路径规划；所述轨迹规划模块计算并输出控制信号给电机驱动模块；所述力控制模块接收所述力信息采集模块的反馈并对复合机器人进行交叉耦合力控制。

一些实施例中，所述第一控制器核通过串口和以太网与外部通信，所述第二控制器核通过CAN和以太网控制自动化技术与外部通信，所述第三控制器核通过以太网和USB与外部通信，所述第四控制器核通过USB与外部通信。

本发明还提供了一种复合机器人人机协作系统的交叉耦合力控制方法，包括，

组建机械臂的可在位置闭环和力矩闭环之间切换的力/位混合控制系统；

组建底盘的可在位置闭环和力矩闭环之间切换的力/位混合控制系统；

根据需要将机械臂在位置闭环和力矩闭环进行切换，并将底盘在位置闭环和力矩闭环进行切换；

将机械臂的力/力矩信息反馈给底盘的力/位混合控制系统，将底盘的力/力矩信息反馈给机械臂的力/位混合控制系统；

开关机械臂和底盘之间的反馈回路，实现复合机器人的交叉耦合力控制。

一些实施例中，通过电流检测机械臂的关节力感知和底盘的轮式力感知，并计算关节力矩τ_k，其求解公式为：

其中τ_k为各轴关节力矩，N为减速器的减速比，n_p为电机极对数，ψ_f为电机磁链，i_sq为电机q轴电流，J_m为电机转子惯量，

为机器人动力学方程。

一些实施例中，将机械臂的实际力矩交叉反馈给底盘的力矩闭环，将底盘的实际力矩交叉反馈给机械臂的力矩闭环。

本发明的有益效果在于：本发明提供的复合机器人人机协作系统，通过多核一体化机器人控制器的设置，实现复合机器人底盘和机械臂的一体化控制；同时，通过交叉耦合力控制方法，实现机械臂、底盘之间的交叉力信息传递以及人机协作控制。

附图说明

图1是本发明一个实施例中，多核一体化机器人控制器的构成示意图。

图2是本发明一个实施例中，复合机器人人机协作系统的系统结构图。

图3是本发明一个实施例中，交叉耦合力控制系统图。

附图标记：

多核一体化机器人控制器11；相机与激光检测模块12；复合机器人13；位置与速度检测模块14；电机驱动模块15；力信息采集模块16；轨迹规划模块21；视觉计算模块22；运动学计算模块23；导航模块24；动力学计算模块25；通讯模块26；示教编程模块27；力控制模块28；第一控制器核31；第二控制器核32；第三控制器核33；第四控制器核34。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1至3详细说明一下本发明提供的复合机器人13人机协作系统及其交叉耦合力控制方法。

如图1和图2所示，本发明一个实施例中，提供了一种复合机器人13人机协作系统，包括多核一体化机器人控制器11、复合机器人13、电机驱动模块15、力信息采集模块16、位置与速度检测模块14以及相机与激光检测模块12；所述相机与激光检测模块12用于实现对视觉和激光信息的采集并反馈给多核一体化机器人控制器11；所述力信息采集模块16用于采集关节力矩并反馈给多核一体化机器人控制器11；所述位置与速度检测模块14用于检测复合机器人13的位置和速度信息并反馈给电机驱动模块15；所述多核一体化机器人控制器11与所述电机驱动模块15连接，用于对所述电机驱动模块15进行伺服控制；所述多核一体化机器人控制器11包括用于完成示教与编程功能的第一控制器核31、用于完成复合机器人的运动规划与控制的第二控制器核32、用于完成视觉识别和图像分析的第三控制器核33以及用于完成激光导航的第四控制器核34。

本发明提供的复合机器人13人机协作系统，结构简单，集成度高，将运动规划、示教编程、视觉感知、定位导航、力感知与控制等功能集成在一个多核一体化机器人控制器11中，能够实现底盘-机械臂一体化的高性能控制。

其中，

第一控制器核31主要完成示教和编程功能，通过网口或以太网与外部连接，既可以实现通过示教盒的示教编程，也能够实现通过上位机的离线编程。

第二控制器核32主要完成复合机器人13运动规划与控制，包括运动学计算、轨迹规划与插补、动力学计算以及力控制等功能，其中复合机器人13人机协作力控制方法在力控制模块28实现。

第三控制器核33主要完成视觉图像的采集、变换以及识别定位等计算，在激光导航一次定位的基础上，通过视觉系统的二次定位提高复合机器人13作业精度，实现复合机器人13较高精度移动作业。

第四控制器核34主要完成激光传感器的信息采集、地图构建、路径规划、自主避障等导航算法的计算，激光导航实现复合机器人13的一次定位，视觉系统进行二次定位，通过两次定位能够满足大部分应用的较高精度移动作业，在高精密装配等特殊场合中，通过基于力信息的柔顺控制计算，能够实现更高精度的应用作业。

如图2所示，所述第一控制器核31包括示教编程模块27，所述第二控制器核32包括轨迹规划模块21、运动学计算模块23、动力学计算模块25和力控制模块28，所述第三控制器核33包括视觉计算模块22，所述第四控制器核34包括导航模块24；所述视觉计算模块22接收所述相机与激光检测模块12反馈的视觉和激光信息；所述导航模块24根据所述视觉和激光信息进行路径计算和路径规划；所述轨迹规划模块21计算并输出控制信号给电机驱动模块15；所述力控制模块28接收所述力信息采集模块16的反馈并对复合机器人13进行交叉耦合力控制。

也即是，多核一体化机器人控制器11主要包括轨迹规划模块21、视觉计算模块22、运动学计算模块23、导航模块24、动力学计算模块25、通讯模块26、示教编程模块27、力控制模块28等部分。相机与激光检测模块12实现对视觉和激光信息的采集，并将其传送给多核一体化机器人控制器11，所得到的视觉和激光信息用于视觉计算模块22的识别、定位以及导航模块24的路径规划等计算；轨迹规划模块21的各轴计算输出θ_k、

输出给电机驱动模块15进行伺服控制，并进一步控制复合机器人13；位置与速度检测模块14通过安装在电机尾部的编码器检测机器人运动的位置和速度信息θ′_k、

并将其反馈给电机驱动模块15和多核一体化机器人控制器11，用于机器人的运动控制；力信息采集模块16采集各轴关节力矩τ_k，并将其反馈给多核一体化机器人控制器11的力控制模块28进行复合机器人13交叉耦合力控制。

在本发明中，所述第一控制器核31通过串口和以太网与外部通信，所述第二控制器核32通过CAN和以太网控制自动化技术与外部通信，所述第三控制器核33通过以太网和USB与外部通信，所述第四控制器核34通过USB与外部通信。

此外，本发明还提供了一种复合机器人13人机协作系统的交叉耦合力控制方法，包括，

组建机械臂的可在位置闭环和力矩闭环之间切换的力/位混合控制系统；

组建底盘的可在位置闭环和力矩闭环之间切换的力/位混合控制系统；

根据需要将机械臂在位置闭环和力矩闭环进行切换，并将底盘在位置闭环和力矩闭环进行切换；

将机械臂的力/力矩信息反馈给底盘的力/位混合控制系统，将底盘的力/力矩信息反馈给机械臂的力/位混合控制系统；

开关机械臂和底盘之间的反馈回路，实现复合机器人13的交叉耦合力控制。

图3的上部分为机械臂的控制框图，分别实现位置闭环和力矩闭环的力/位混合控制，具有力矩控制和位置控制两种模式切换的功能；图3的下部分为底盘的控制框图，实现位置闭环和力矩闭环的力/位混合控制，也具有力矩控制和位置控制两种模式切换的功能。

针对复合机器人13异构、冗余、柔性等“车-臂”一体化系统人机协作的复杂性，采用机械臂的关节力感知以及全方位移动底盘的轮式力感知，将力/力矩信号进行交叉耦合控制并与力/位混合控制结合，直接将力矩信号反馈到关节空间，实现复合机器人13人机协作力控制。机械臂的关节力感知和移动底台的轮式力感知信号通过图2中的力信息采集模块16获取。交叉耦合的含义指的是机械臂和底盘两部分的力/力矩信号分别反馈到对方，例如机械臂的关节力矩τ_i反馈到底盘的力矩闭环上，而底盘的力矩τ_j也反馈到机械臂的力矩闭环上。

通过开关反馈回路，复合机器人13交叉耦合力控制方法不但能实现机械臂、底盘独立的人机协作，同时还能实现“人-臂-车”整体人机协作。也就是人可以通过牵引机械臂带动机械臂与底盘的协同运动实现大范围的人机协作，也可以实现机械臂单独运动的局部人机协作。

进一步，所述复合机器人13交叉耦合力控制方法在第二控制器核32主要完成。由于复合机器人13运动规划与控制的运动学计算、轨迹规划与插补、动力学计算以及力控制等主要功能都在第二控制器核32进行，故具有较高的实时性，能够进一步提升复合机器人13控制性能；

进一步，所述机械臂的关节力感知以及全方位移动平台的轮式力感知通过电机电流检测，即为各轴关节力矩τ_k，其求解公式为：

其中τ_k为各轴关节力矩，N为减速器的减速比，n_p为电机极对数，ψ_f为电机磁链，i_sq为电机q轴电流，J_m为电机转子惯量，

为机器人动力学方程。

进一步，如图3所示，所述复合机器人13交叉耦合力控制方法中，τ_di为机械臂各关节给定力矩，q_di、

为机械臂各关节给定位置和速度，τ_i为机械臂各关节实际力矩，q_i、

为机械臂各关节实际位置和速度；τ_di为底盘各电机给定力矩，q_dj、

为底盘各电机给定位置和速度，τ_j为底盘各电机实际力矩，q_j、

为底盘各电机实际位置和速度。

进一步，所述复合机器人13交叉耦合力控制方法，通过将机械臂实际力矩τ_i交叉反馈给底盘力矩闭环，并将底盘实际力矩τ_j交叉反馈给机械臂力矩闭环，实现复合机器人13人机协作时的“车-臂“交叉耦合力控制。

本发明的复合机器人13交叉耦合力控制方法，不仅具备机械臂的人机协作功能，还具备“车-臂“协同的人机协作功能，能够实现人牵引复合机器人13的大范围运动，提高复合机器人13移动作业性能。

本发明的复合机器人13人机协作系统以及交叉耦合力控制方法，对应提高复合机器人13移动作业性能，改变工业机器人传统作业模式，提高生产力，推动智能制造发展具有重要意义。

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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种复合机器人人机协作系统的交叉耦合力控制方法，其特征在于，

所述复合机器人人机协作系统包括多核一体化机器人控制器、复合机器人、电机驱动模块、力信息采集模块、位置与速度检测模块以及相机与激光检测模块；所述相机与激光检测模块用于实现对视觉和激光信息的采集并反馈给多核一体化机器人控制器；所述力信息采集模块用于采集关节力矩并反馈给多核一体化机器人控制器；所述位置与速度检测模块用于检测复合机器人的位置和速度信息并反馈给电机驱动模块；所述多核一体化机器人控制器与所述电机驱动模块连接，用于对所述电机驱动模块进行伺服控制；所述多核一体化机器人控制器包括用于完成示教与编程功能的第一控制器核、用于完成复合机器人的运动规划与控制的第二控制器核、用于完成视觉识别和图像分析的第三控制器核以及用于完成激光导航的第四控制器核；

所述第一控制器核包括示教编程模块，所述第二控制器核包括轨迹规划模块、运动学计算模块、动力学计算模块和力控制模块，所述第三控制器核包括视觉计算模块，所述第四控制器核包括导航模块；所述视觉计算模块接收所述相机与激光检测模块反馈的视觉和激光信息；所述导航模块根据所述视觉和激光信息进行路径计算和路径规划；所述轨迹规划模块计算并输出控制信号给电机驱动模块；所述力控制模块接收所述力信息采集模块的反馈并对复合机器人进行交叉耦合力控制；

所述方法包括：

组建机械臂的可在位置闭环和力矩闭环之间切换的力/位混合控制系统；

组建底盘的可在位置闭环和力矩闭环之间切换的力/位混合控制系统；

根据需要将机械臂在位置闭环和力矩闭环进行切换，并将底盘在位置闭环和力矩闭环进行切换；

将机械臂的力/力矩信息反馈给底盘的力/位混合控制系统，将底盘的力/力矩信息反馈给机械臂的力/位混合控制系统；

开关机械臂和底盘之间的反馈回路，实现复合机器人的交叉耦合力控制。

2.根据权利要求1所述的复合机器人人机协作系统的交叉耦合力控制方法，其特征在于，通过电流检测机械臂的关节力感知和底盘的轮式力感知，并计算关节力矩τ_k，其求解公式为：

其中τ_k为各轴关节力矩，N为减速器的减速比，n_p为电机极对数，ψ_f为电机磁链，i_sq为电机q轴电流，J_m为电机转子惯量，

为机器人动力学方程。

3.根据权利要求1所述的复合机器人人机协作系统的交叉耦合力控制方法，其特征在于，将机械臂的实际力矩交叉反馈给底盘的力矩闭环，将底盘的实际力矩交叉反馈给机械臂的力矩闭环。

4.根据权利要求1所述的复合机器人人机协作系统的交叉耦合力控制方法，其特征在于，所述第一控制器核通过串口和以太网与外部通信，所述第二控制器核通过CAN和以太网与外部通信，所述第三控制器核通过以太网和USB与外部通信，所述第四控制器核通过USB与外部通信。

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