CN112621748A - 一种机器人负载辨识的方法 - Google Patents

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姚庭
王超
高加超
史琦亮
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Abstract

本发明公开了一种机器人负载辨识的方法，包括以下步骤：建立机器人空载运行时的动力学模型；建立各关节力矩与末端负载的关系；根据当前关节位置，速度，加速度和摩擦力，由动力学模型得到各关节空载力矩；由各关节反馈力矩得到各关节力矩；机器人运行时，每隔1s由各关节采集数据，计算一次负载质量和质心，取60s内负载质量和质心计算结果平均值，作为最终负载质量和质心；该机器人负载辨识的方法，基于动力学模型和伺服反馈力矩，根据各关节力矩与末端负载关系，通过动力学模型与伺服反馈力矩的差异实时辨识出末端负载，解决机器人末端负载辨识问题，不依赖模型，低成本，简单易用，运行过程中自动完成机器人负载辨识。

Description

一种机器人负载辨识的方法
技术领域
本发明涉及机器人系统技术领域，具体为一种机器人负载辨识的方法。
背景技术
在机器人系统中，末端负载变化会严重影响机器人控制性能，因此需要对机器人末端负载进行辨识。传统的机器人负载辨识方法主要有三类：CAD模型法、使用力矩传感器的方法、无传感器的静态和动态辨识方法；CAD模型法依赖负载模型，适用性较窄；使用力矩传感器的方法需要额外的传感器，成本较高；因此设计一种机器人负载辨识的方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人负载辨识的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种机器人负载辨识的方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立机器人空载运行时的动力学模型，公式如下：
Figure BDA0002813092040000011
步骤S2：建立各关节力矩与末端负载的关系，公式如下：
τi＝kimg+qi；
步骤S3：根据当前关节位置q，速度
Figure BDA0002813092040000012
加速度
Figure BDA0002813092040000013
和摩擦力
Figure BDA0002813092040000014
由动力学模型得到各关节空载力矩qi；由各关节反馈力矩得到各关节力矩τi；
步骤S4：机器人运行时，每隔1s由各关节采集数据，计算一次负载质量和质心，取60s内负载质量和质心计算结果平均值，作为最终负载质量和质心；
步骤S5：负载辨识模式具有三种，分别为关闭辨识、实时辨识更新一次、实时辨识动态更新三种模式。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S1中，M是惯性系数矩阵；C是粘滞摩擦系数矩阵；G是重力矩向量；
Figure BDA0002813092040000021
是摩擦力。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S2中，ki为关节驱动力矩中与机器人末端负载相关的系数，ki是末端在连杆坐标系i下的x轴分量，通过连杆坐标变换得到，不同关节、不同位姿时是不同的。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中，qi为关节驱动力矩中与机器人末端负载无关与连杆参数相关的系数，通过如下公式得到：
Figure BDA0002813092040000022
作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中，力矩信息通过伺服驱动器本身经由电流乘以扭矩常数反馈得出，单位通常为0.1％，控制器根据各关节额定力矩进行转换后可得到各关节力矩τi，力矩信息还可通过负载力矩建模得到，即
τi＝qi+τpayload，
Figure BDA0002813092040000023
其中q为当前关节位置，
Figure BDA0002813092040000024
为速度，
Figure BDA0002813092040000025
为加速度，Φ为与各关节参数有关的常数，θ为惯性参数，包括负载质量m、负载质心mxmymz、负载惯量IxxIxyIxzIyyIyzIzz。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S4中，负载质量每1s计算公式为：
Figure BDA0002813092040000026
1s为默认计算频率，或通过显示设备配置计算频率，辨识轨迹为机器人3轴单独运动和5轴单独运动。
作为本发明进一步的方案：所述负载质量辨识还可通过最小二乘法进行。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S4中，根据负载质量辨识结果，负载质心每1s计算公式为：
Figure BDA0002813092040000031
1s为默认计算频率，或通过显示设备配置计算频率，辨识轨迹为机器人6轴单独运动。
作为本发明进一步的方案：所述负载质心辨识还可通过最小二乘法进行。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S5中，三种负载辨识模式是独立的，不可同时存在，负载辨识模式是通过显示设备配置的，最终辨识结果通过显示设备显示。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S5中，在实时辨识动态更新的负载辨识模式下的最终负载质量和质心数据每60s更新一次，最终负载质量和质心数据是60s内经由步骤S4所得数据；60s为默认更新频率，或通过显示设备配置更新频率。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：该机器人负载辨识的方法，基于动力学模型和伺服反馈力矩，根据各关节力矩与末端负载关系，通过动力学模型与伺服反馈力矩的差异实时辨识出末端负载，解决机器人末端负载辨识问题，不依赖模型，低成本，简单易用，运行过程中自动完成机器人负载辨识。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的方法流程图。
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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种机器人负载辨识的方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立机器人空载运行时的动力学模型，公式如下：
Figure BDA0002813092040000041
其中M是惯性系数矩阵；C是粘滞摩擦系数矩阵；G是重力矩向量；
Figure BDA0002813092040000042
是摩擦力；
步骤S2：建立各关节力矩与末端负载的关系，公式如下：
τi＝kimg+qi；
ki为关节驱动力矩中与机器人末端负载相关的系数，ki是末端在连杆坐标系i下的x轴分量，通过连杆坐标变换得到，不同关节、不同位姿时是不同的；
步骤S3：根据当前关节位置q，速度
Figure BDA0002813092040000043
加速度
Figure BDA0002813092040000044
和摩擦力
Figure BDA0002813092040000045
由动力学模型得到各关节空载力矩qi；qi为关节驱动力矩中与机器人末端负载无关与连杆参数相关的系数，通过如下公式得到：
Figure BDA0002813092040000046
由各关节反馈力矩得到各关节力矩τi，，力矩信息通过伺服驱动器本身经由电流乘以扭矩常数反馈得出，单位通常为0.1％，控制器根据各关节额定力矩进行转换后可得到各关节力矩τi，力矩信息还可通过负载力矩建模得到，即
τi＝qi+τpayload，
Figure BDA0002813092040000047
其中q为当前关节位置，
Figure BDA0002813092040000048
为速度，
Figure BDA0002813092040000049
为加速度，Φ为与各关节参数有关的常数，θ为惯性参数，包括负载质量m、负载质心mxmymz、负载惯量IxxIxyIxzIyyIyzIzz；
步骤S4：机器人运行时，每隔1s由各关节采集数据，计算一次负载质量和质心，取60s内负载质量和质心计算结果平均值，作为最终负载质量和质心，负载质量每1s计算公式为：
Figure BDA0002813092040000051
1s为默认计算频率，或通过显示设备配置计算频率，辨识轨迹为机器人3轴单独运动和5轴单独运动，负载质量辨识还可通过最小二乘法进行，根据负载质量辨识结果，负载质心每1s计算公式为：
Figure BDA0002813092040000052
1s为默认计算频率，或通过显示设备配置计算频率，辨识轨迹为机器人6轴单独运动，负载质量辨识还可通过最小二乘法进行；
步骤S5：负载辨识模式具有三种，分别为关闭辨识、实时辨识更新一次、实时辨识动态更新三种模式，负载辨识模式是通过显示设备配置的，最终辨识结果通过显示设备显示，三种负载辨识模式是独立的，不可同时存在，选择关闭辨识需要手工输入负载重量；选择实时辨识更新一次适用于负载变化不大的场合，只做一次负载辨识即可使用；选择实时辨识动态更新适用于负载变化较大的场合，机器人运动时动态辨识，实时更新；在实时辨识动态更新的负载辨识模式下的最终负载质量和质心数据每60s更新一次，最终负载质量和质心数据是60s内经由步骤S4所得数据；60s为默认更新频率，或通过显示设备配置更新频率。
基于上述，本发明的优点在于：基于动力学模型和伺服反馈力矩，根据各关节力矩与末端负载关系，通过动力学模型与伺服反馈力矩的差异实时辨识出末端负载，解决机器人末端负载辨识问题，不依赖模型，低成本，简单易用，运行过程中自动完成机器人负载辨识。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种机器人负载辨识的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：建立机器人空载运行时的动力学模型，公式如下：
Figure FDA0002813092030000011
步骤S2：建立各关节力矩与末端负载的关系，公式如下：
τi＝kimg+qi；
步骤S3：根据当前关节位置q，速度
Figure FDA0002813092030000012
加速度
Figure FDA0002813092030000013
和摩擦力
Figure FDA0002813092030000014
由动力学模型得到各关节空载力矩qi；由各关节反馈力矩得到各关节力矩τi；
步骤S4：机器人运行时，每隔1s由各关节采集数据，计算一次负载质量和质心，取60s内负载质量和质心计算结果平均值，作为最终负载质量和质心；
步骤S5：负载辨识模式具有三种，分别为关闭辨识、实时辨识更新一次、实时辨识动态更新三种模式。
2.根据权利要求1所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述步骤S1中，M是惯性系数矩阵；C是粘滞摩擦系数矩阵；G是重力矩向量；
Figure FDA0002813092030000015
是摩擦力。
3.根据权利要求1所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述步骤S2中，ki为关节驱动力矩中与机器人末端负载相关的系数，ki是末端在连杆坐标系i下的x轴分量，通过连杆坐标变换得到，不同关节、不同位姿时是不同的。
4.根据权利要求1所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述步骤S3中，qi为关节驱动力矩中与机器人末端负载无关与连杆参数相关的系数，通过如下公式得到：
Figure FDA0002813092030000021
5.根据权利要求1所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述步骤S3中，力矩信息通过伺服驱动器本身经由电流乘以扭矩常数反馈得出，单位通常为0.1％，控制器根据各关节额定力矩进行转换后可得到各关节力矩τi，力矩信息还可通过负载力矩建模得到，即
τi＝qi+τpayload，
Figure FDA0002813092030000022
其中q为当前关节位置，
Figure FDA0002813092030000023
为速度，
Figure FDA0002813092030000024
为加速度，Φ为与各关节参数有关的常数，θ为惯性参数，包括负载质量m、负载质心mxmymz、负载惯量IxxIxyIxzIyyIyzIzz。
6.根据权利要求1所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述步骤S4中，负载质量每1s计算公式为：
Figure FDA0002813092030000025
1s为默认计算频率，或通过显示设备配置计算频率，辨识轨迹为机器人3轴单独运动和5轴单独运动。
7.根据权利要求6所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述负载质量辨识还可通过最小二乘法进行。
8.根据权利要求6所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据负载质量辨识结果，负载质心每1s计算公式为：
Figure FDA0002813092030000026
1s为默认计算频率，或通过显示设备配置计算频率，辨识轨迹为机器人6轴单独运动。
9.根据权利要求8所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述负载质心辨识还可通过最小二乘法进行。
10.根据权利要求1所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述步骤S5中，三种负载辨识模式是独立的，不可同时存在，负载辨识模式是通过显示设备配置的，最终辨识结果通过显示设备显示。
11.根据权利要求1所述的一种机器人负载辨识的方法，其特征在于：所述步骤S5中，在实时辨识动态更新的负载辨识模式下的最终负载质量和质心数据每60s更新一次，最终负载质量和质心数据是60s内经由步骤S4所得数据；60s为默认更新频率，或通过显示设备配置更新频率。
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