CN111823235A - 一种用于采摘机械臂的碰撞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：通过实验获取机械臂在受到碰撞时各关节电机的电流跳变值与各相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式；步骤二：机械臂采摘作业时，通过监测各关节电机的角位移及电流跳变值，利用上述所得关系表达式估算出各关节的实时碰撞力矩；步骤三：通过对机械臂各关节的力学分析计算，获得碰撞力的大小及碰撞位置，实现碰撞检测。本发明可以实现机械臂所受碰撞力的大小及位置的检测，为采摘机械臂的作业提供安全的保障，同时该方法可适用于多种采摘环境，控制简单、成本低。

Description

一种用于采摘机械臂的碰撞检测方法

技术领域

本发明属于农业机器人技术领域，具体涉及一种用于采摘机械臂的碰撞检测方法。

背景技术

随着自动化技术的不断发展，果蔬采摘机器人的研究与应用日益增多。但是，机械臂在自动化采摘作业过程中受到意外碰撞，会对植株、人造成伤害。所以，很有必要建立采摘作业过程中的碰撞保护机制，实时检测机械臂碰撞情况，并及时做出反馈。

针对采摘机械臂的碰撞保护，现在采用的方法大致有两种。第一种方法是通过增加机械臂的冗余度并设计相关避障算法，使其更加灵活，主动躲避环境中的障碍物，该方法控制复杂且成本高。第二种方法是采用在机械臂上设置测力传感器、仿真皮肤等，检测机械臂的碰撞力，该方法控制简单、反应灵敏，但成本高，安装工艺复杂。

发明内容

针对上述问题，为了减少成本，降低控制复杂度的同时，实现碰撞力的大小和位置的检测，以方便进一步建立采摘作业过程中的碰撞保护机制，本发明提供了一种用于采摘机械臂的碰撞检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下方案：

一种用于采摘机械臂的碰撞检测方法，包括如下步骤：

步骤一：通过实验获取机械臂在受到碰撞时各关节电机的电流跳变值与各相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式；

步骤二：，机械臂采摘作业时，通过监测各关节电机的角位移及电流跳变值，利用上述所得关系表达式估算出各关节的实时碰撞力矩；

步骤三：，通过对机械臂各关节的力学分析计算，获得碰撞力的大小及碰撞位置，实现碰撞检测。

进一步，所述步骤一中，首先，预先设定好电流跳变阈值，再使障碍物碰撞机械臂时，电流跳变值恰好到达阈值附近，同时控制机械臂各关节定住，通过机械臂各关节处设置的传感器获取各关节的碰撞力矩，以此类推在同一预先设定好的电流跳变阈值内，使障碍物多次碰撞机械臂以获取各关节的多组碰撞力矩数据；然后，改变电流跳变阈值重复上述实验；最后，对实验数据进行数据分析获得各关节电机电流跳变值与各相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式。

进一步，所述数据分析包括：首先，依次对每一预先设定好的电流跳变阈值情况下获取的每个关节的多组碰撞力矩数据进行平均值和方差的求解；然后，以纵轴为碰撞力矩、横轴为电流跳变阈值绘制每个关节的误差棒图；最后，通过线性拟合获得每个关节电机电流跳变值与相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式。

进一步，所述步骤二中，采用差值法监测机械臂各关节电机的电流跳变值，进而实现各关节实时碰撞力矩的估测。

进一步，所述差值法是指在机械臂的正常运作状态预先采集好各个关节电机转动不同角位移时的正常电流值，然后在机械臂作业时通过传感器或者其他手段获取各关节电机的实时电流信息和角位移，通过将各关节电机的实时电流值与此实时角位移对应的正常电流值做差运算获取各关节电机的实时电流跳变值；最后，根据各关节电机的实时电流跳变值及所述步骤一中所得的关系表达式估测各关节的实时碰撞力矩。

进一步，所述步骤三中，采摘机械臂所受碰撞力为f，将其分解为垂直于相应臂杆的分力f₁和平行于相应臂杆的分力f₂，f与其分解力f₁的夹角为θ₄，碰撞力在机械臂臂杆上的作用点与该臂杆的关节点之间的距离为L_x，然后根据步骤二中估算出的各关节处的实时碰撞力矩及各关节的实时转动角位移列出各关节的扭矩方程，继而解出碰撞力f及L_x、θ₄，从而判断处碰撞力的大小及在臂杆上的具体方位。

进一步，还包括步骤四，将步骤三中获得的碰撞力的大小与预先设定的碰撞力阈值进行比较，当步骤三中获得的碰撞力的大小达到预先设定的碰撞力阈值时，机械臂停止运作或进行新的路径规划以躲避障碍物。

进一步，该方法用于自由度不小于三的机械臂碰撞力的检测。

该用于采摘机械臂的碰撞检测方法具有以下有益效果：

(1)本发明可以实现机械臂所受碰撞力的大小及位置的检测，为采摘机械臂的作业提供安全的保障，同时该方法可适用于多种采摘环境，不同的环境采用不同的碰撞阈值，当碰撞力到达设定阈值后，机械臂可以根据具体要求选择停止运作或者进行新的路径规划。

(2)本发明，通过实验的方法确定碰撞力矩和关节电机电流跳变值的关系，可以有效的减少采摘机械臂种类的多样化对此方法精度的影响。

(3)本发明控制简单、成本低。

附图说明

图1：本发明实施方式中用于采摘机械臂的碰撞检测方法的整体流程图；

图2：本发明实施方式中某一关节的关节电机电流跳变值与碰撞力矩的关系示意图；

图3：本发明实施方式中碰撞力矩估测流程示意图；

图4：本发明实施方式中力学分析示意图。

附图标记说明：

f—采摘机械臂所受碰撞力；f₁—垂直于相应臂杆的分力；f₂—平行于相应臂杆的分力；L₁—机械臂大臂OA的长度；L₂—机械臂中臂AB的长度；L₃—机械臂小臂BC的长度；r—柔性关节的半径；θ₁—机械臂大臂与水平方向夹角；θ₂—机械臂中臂与大臂延长线的夹角；θ₃—机械臂小臂与中臂延长线的夹角；L_x—碰撞力在机械臂臂杆上的作用点与该臂杆的关节点之间的距离；θ₄—f与其分解力f₁的夹角。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：

图1至图4示出了本发明一种用于采摘机械臂的碰撞检测方法的具体实施方式。图1是本实施方式中用于采摘机械臂的碰撞检测方法的整体流程图；图2是本实施方式中某一关节的关节电机电流跳变值与碰撞力矩的关系示意图；图3是本实施方式中碰撞力矩估测流程示意图；图4是本实施方式中的力学分析示意图。

如图1所示，本实施方式中的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，包括如下步骤：

步骤一：通过实验获取机械臂在受到碰撞时各关节电机的电流跳变值与各相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式；

步骤二：，机械臂采摘作业时，通过监测各关节电机的角位移及电流跳变值，利用上述所得关系表达式估算出各关节的实时碰撞力矩；

步骤三：，通过对机械臂各关节的力学分析计算，获得碰撞力的大小及碰撞位置，实现碰撞检测。

具体地，所述步骤一中，首先，预先设定好电流跳变阈值，再使障碍物碰撞机械臂时，电流跳变值恰好到达阈值附近，同时控制机械臂各关节定住，通过机械臂各关节处设置的传感器获取各关节的碰撞力矩，以此类推在同一预先设定好的电流跳变阈值内，使障碍物多次碰撞机械臂以获取各关节的多组碰撞力矩数据；然后，改变电流跳变阈值重复上述实验；最后，对实验数据进行数据分析获得各关节电机电流跳变值与各相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式。

具体地，所述数据分析包括：首先，依次对每一预先设定好的电流跳变阈值情况下获取的每个关节的多组碰撞力矩数据进行平均值和方差的求解；然后，以纵轴为碰撞力矩、横轴为电流跳变阈值绘制每个关节的误差棒图；最后，通过线性拟合获得每个关节电机电流跳变值与相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式，如图2所示。

具体地，所述步骤二中，采用差值法监测机械臂各关节电机的电流跳变值，进而实现各关节实时碰撞力矩的估测。

具体地，所述差值法是指在机械臂的正常运作状态预先采集好各个关节电机转动不同角位移时的正常电流值，然后在机械臂作业时通过传感器或者其他手段获取各关节电机的实时电流信息和角位移，通过将各关节电机的实时电流值与此实时角位移对应的正常电流值做差运算获取各关节电机的实时电流跳变值；最后，根据各关节电机的实时电流跳变值及所述步骤一中所得的关系表达式估测各关节的实时碰撞力矩。不同时刻各关节电机角位移不同，通过对各关节电机电流跳变值的实时检测，可实现各关节处碰撞力矩的实时估测，如图3所示。

具体地，所述步骤三中，采摘机械臂所受碰撞力为f，将其分解为垂直于相应臂杆的分力f₁和平行于相应臂杆的分力f₂，f与其分解力f₁的夹角为θ₄，碰撞力在机械臂臂杆上的作用点与该臂杆的关节点之间的距离为L_x，然后根据步骤二中估算出的各关节处的实时碰撞力矩及各关节的实时转动角位移列出各关节的扭矩方程，继而解出碰撞力f及L_x、θ₄，从而判断处碰撞力的大小及在臂杆上的具体方位。

本实施例中，以6自由度采摘机械臂为例，如图4所示，采摘机械臂所受碰撞力为f，将其分解为垂直于相应臂杆的分力f₁和平行于相应臂杆的分力f₂，f与其分解力f₁的夹角为θ₄，其中机械臂大臂OA长L₁，中臂AB长L₂，小臂BC长L₃，柔性关节半径为r，大臂OA与水平方向夹角θ₁，中臂AB与大臂OA延长线的夹角θ₂，小臂BC与中臂AB延长线的夹角θ₃，碰撞力作用点与B点距离为L_x，则关节O点扭矩为：

关节A点扭矩为：

关节B点扭矩为：

τ₃＝f₁l_x＝f cosθ₄l_x (3)

估算出的各关节处的实时碰撞力矩为τ₁、τ₂、τ₃为已知，θ₁、θ₂、θ₃可根据各关节的实时转动角位移得到，从而可求解得：

其中：

由(4)式可以计算出6自由度机械臂所受碰撞力的大小及作用位置，同理，当碰撞力位于其他臂杆上时，也可以计算出碰撞力大小f及具体作用位置L_x，实现碰撞冲击力的大小检测和位置检测。同理，该方法可适用于其他自由度不小于三的机械臂碰撞力的碰撞检测。

优选地，本实施方式中的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，还包括步骤四，将步骤三中获得的碰撞力的大小与预先设定的碰撞力阈值进行比较，当步骤三中获得的碰撞力的大小达到预先设定的碰撞力阈值时，机械臂停止运作或进行新的路径规划以躲避障碍物，如图1所示。

当然，不同的果蔬所允许的最小碰撞力不同，因此不同的采摘作业，需要预先设定的碰撞力阈值不同。不同果蔬所允许的最小碰撞力可通过有限的实验和工作人员的经验获得。

本发明可以实现机械臂所受碰撞力的大小及位置的检测，为采摘机械臂的作业提供安全的保障，同时该方法可适用于多种采摘环境，不同的环境采用不同的碰撞阈值，当碰撞力到达设定阈值后，机械臂可以根据具体要求选择停止运作或者进行新的路径规划。

本发明，通过实验的方法确定碰撞力矩和关节电机电流跳变值的关系，可以有效的减少采摘机械臂种类的多样化对此方法精度的影响。

本发明控制简单、成本低。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过实验获取机械臂在受到碰撞时各关节电机的电流跳变值与各相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式；

步骤二：机械臂采摘作业时，通过监测各关节电机的角位移及电流跳变值，利用上述所得关系表达式估算出各关节的实时碰撞力矩；

步骤三：通过对机械臂各关节的力学分析计算，获得碰撞力的大小及碰撞位置，实现碰撞检测。

2.根据权利要求1所述的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤一中，首先，预先设定好电流跳变阈值，再使障碍物碰撞机械臂时，电流跳变值恰好到达阈值附近，同时控制机械臂各关节定住，通过机械臂各关节处设置的传感器获取各关节的碰撞力矩，以此类推在同一预先设定好的电流跳变阈值内，使障碍物多次碰撞机械臂以获取各关节的多组碰撞力矩数据；然后，改变电流跳变阈值重复上述实验；最后，对实验数据进行数据分析获得各关节电机电流跳变值与各相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式。

3.根据权利要求2所述的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，所述数据分析包括：首先，依次对每一预先设定好的电流跳变阈值情况下获取的每个关节的多组碰撞力矩数据进行平均值和方差的求解；然后，以纵轴为碰撞力矩、横轴为电流跳变阈值绘制每个关节的误差棒图；最后，通过线性拟合获得每个关节电机电流跳变值与相对应关节碰撞力矩之间的关系表达式。

4.根据权利要求1所述的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤二中，采用差值法监测机械臂各关节电机的电流跳变值，进而实现各关节实时碰撞力矩的估测。

5.根据权利要求4所述的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，所述差值法是指在机械臂的正常运作状态预先采集好各个关节电机转动不同角位移时的正常电流值，然后在机械臂作业时通过传感器或者其他手段获取各关节电机的实时电流信息和角位移，通过将各关节电机的实时电流值与此实时角位移对应的正常电流值做差运算获取各关节电机的实时电流跳变值；最后，根据各关节电机的实时电流跳变值及所述步骤一中所得的关系表达式估测各关节的实时碰撞力矩。

6.根据权利要求1所述的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤三中，采摘机械臂所受碰撞力为f，将其分解为垂直于相应臂杆的分力f1和平行于相应臂杆的分力f2，f与其分解力f1的夹角为θ4，碰撞力在机械臂臂杆上的作用点与该臂杆的关节点之间的距离为Lx，然后根据步骤二中估算出的各关节处的实时碰撞力矩及各关节的实时转动角位移列出各关节的扭矩方程，继而解出碰撞力f及Lx、θ4，从而判断处碰撞力的大小及在臂杆上的具体方位。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，还包括步骤四，将步骤三中获得的碰撞力的大小与预先设定的碰撞力阈值进行比较，当步骤三中获得的碰撞力的大小达到预先设定的碰撞力阈值时，机械臂停止运作或进行新的路径规划以躲避障碍物。

8.根据权利要求1至7任一所述的用于采摘机械臂的碰撞检测方法，其特征在于，该方法用于自由度不小于三的机械臂碰撞力的检测。

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