CN112743535B - 一种自适应碰撞检测方法、装置以及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自适应碰撞检测方法、装置以及存储介质，该方法包括对机器人中每个轴的摩擦力矩进行辨识，得到每个轴当前速度对应的摩擦力矩，并对摩擦力矩进行修正，得到修正后的摩擦力矩；根据每个轴的速度和位置以及修正后的摩擦力矩，计算第一理论力矩；根据反馈力矩和第一理论力矩，计算外力力矩；判断外力力矩是否大于预设力矩阈值；若外力力矩大于或等于预设力矩阈值，则判定为检测到碰撞；若外力力矩小于预设力矩阈值，则判定为未检测到碰撞。通过上述方式，本申请能够提高碰撞检测精度，降低碰撞造成的损伤几率。

Description

一种自适应碰撞检测方法、装置以及存储介质

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，具体涉及一种自适应碰撞检测方法、装置以及存储介质。

背景技术

碰撞检测是指在工业机器人运动过程中，通过感知外部环境对机器人的受力，判断机器人是否发生碰撞现象，从而保护人员和设备的安全。

现有技术中常用的碰撞检测方法包括：第一种，通过在基座安装力矩传感器获取外部环境作用与机器人的力矩值，通过设定力矩阈值，判断是否发生碰撞现象，但是力矩传感器价格高昂，增加力矩传感器会增加产品成本；第二种，通过检测机器人中电机电流的变化，预测外部作用力矩，通过设定力矩阈值，判断是否发生碰撞现象，这种方式因受限于摩擦力矩辨识精度，难以准确估计外部作用力大小，造成碰撞检测不灵敏或误报警现象。

发明内容

本申请主要解决的问题是提供一种自适应碰撞检测方法、装置以及存储介质，能够提高碰撞检测精度，降低碰撞造成的损伤几率。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是提供一种自适应碰撞检测方法，该自适应碰撞检测方法包括：对机器人中每个轴的摩擦力矩进行辨识，得到每个轴当前速度对应的摩擦力矩，并对摩擦力矩进行修正，得到修正后的摩擦力矩；根据每个轴的速度和位置以及修正后的摩擦力矩，计算第一理论力矩；根据反馈力矩和第一理论力矩，计算外力力矩；判断外力力矩是否大于预设力矩阈值；若外力力矩大于或等于预设力矩阈值，则判定为检测到碰撞；若外力力矩小于预设力矩阈值，则判定为未检测到碰撞。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是：提供一种自适应碰撞检测装置，该自适应碰撞检测装置包括互相连接的存储器和处理器，其中，存储器用于存储计算机程序，计算机程序在被处理器执行时，用于实现上述的自适应碰撞检测方法。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是：提供一种存储介质，该存储介质用于存储计算机程序，计算机程序在被处理器执行时，用于实现上述的自适应碰撞检测方法。

通过上述方案，本申请的有益效果是：通过摩擦辨识得到机器人中每个轴的摩擦力矩，然后对摩擦力矩进行修正；利用修正后的摩擦力矩与每个轴的速度、位置，得到机器人中每个轴运动所需的理论力矩；再利用理论力矩与反馈力矩，得到碰撞产生的外力力矩；然后比较外力力矩与预设力矩阈值的大小，从而判断出是否发生碰撞，能够通过对摩擦力矩进行修正来提高辨识摩擦力矩的准确性，从而提高碰撞检测精度，避免机器人发生碰撞时，仍与碰撞物继续碰撞，降低碰撞造成的损伤几率，保护机器人自身和碰撞物的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的自适应碰撞检测方法一实施例的流程示意图；

图2是本申请提供的自适应碰撞检测方法另一实施例的流程示意图；

图3是本申请提供的自适应碰撞检测装置一实施例的结构示意图；

图4是本申请提供的存储介质一实施例的结构示意图。

具体实施方式

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实施例，而不是全部实施例。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的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参阅图1，图1是本申请提供的自适应碰撞检测方法一实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤11：对机器人中每个轴的摩擦力矩进行辨识，得到每个轴当前速度对应的摩擦力矩，并对摩擦力矩进行修正，得到修正后的摩擦力矩。

利用摩擦模型对每个轴进行摩擦辨识，从而得到机器人在当前速度下每个轴的摩擦力矩，然后对摩擦力矩进行修正，获取修正后的摩擦力矩，修正方法将在下文进行阐述。

步骤12：根据每个轴的速度和位置以及修正后的摩擦力矩，计算第一理论力矩。

在获得修正后的摩擦力矩后，结合机器人中每个轴的速度和位置，利用动力学公式计算得到机器人中每个轴运动所需的第一理论力矩。

步骤13：根据反馈力矩和第一理论力矩，计算外力力矩。

在获得到第一理论力矩之后，利用第一理论力矩和反馈力矩来计算当前碰撞所产生的外力力矩。

步骤14：判断外力力矩是否大于预设力矩阈值。

为了检测机器人是否发生碰撞，可以将计算得到的外力力矩与预设力矩阈值进行比较，该预设力矩阈值可以为固定值或跟随运动参数而动态变化。

步骤15：若外力力矩大于或等于预设力矩阈值，则判定为检测到碰撞；若外力力矩小于预设力矩阈值，则判定为未检测到碰撞。

如果计算得到的外力力矩大于或等于预设力矩阈值，则表明当前机器人受到的外力力矩较大，机器人可能与外部环境中的物体或人员发生了碰撞；如果计算得到的外力力矩小于预设力矩阈值，则表明当前机器人受到的外力力矩尚在允许范围以内，可能是轴转向引起的，机器人未与当前所处环境中的物体或人员发生碰撞。

区别于现有技术，本实施例提供了一种自适应碰撞检测方法，通过摩擦辨识得到机器人中每个轴的摩擦力矩，然后利用修正方法对摩擦力矩进行修正，利用修正后的摩擦力矩与每个轴的速度、位置，得到机器人中每个轴运动所需的理论力矩，结合反馈力矩，得到碰撞产生的外力力矩，比较外力力矩与预设力矩阈值的大小，来判断出是否发生碰撞，从而提高辨识摩擦力矩的准确性和碰撞检测精度，降低碰撞造成的损伤几率，可减少误报警，保护机器人和碰撞物的安全。

参阅图2，图2是本申请提供的自适应碰撞检测方法另一实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤21：对每个轴的速度和位置以及反馈力矩进行滤波处理。

利用滤波方法对每个轴的速度、每个轴的位置以及反馈力矩进行滤波处理，得到滤波后的每个轴的速度和位置以及反馈力矩，该滤波方法可以为低通滤波方法。例如，机器人至少包括控制器和编码器，控制器可采用卡尔曼滤波算法分别对编码器反馈的每个轴的速度、每个轴的位置，以及反馈力矩进行实时滤波处理，依次获得滤波后每个轴的速度滤波后的位置q_fb，以及滤波后的反馈力矩τ_fb。

步骤22：将滤波后的每个轴的速度与滤波前的每个轴的速度进行差分处理，得到每个轴的加速度。

步骤23：对机器人中每个轴的摩擦力矩进行辨识，得到每个轴当前速度对应的摩擦力矩。

利用现有摩擦模型进行摩擦力矩辨识，获得机器人中每个轴在当前速度下的摩擦力矩，并结合自适应摩擦力矩修正算法，获得修正后的摩擦力矩τ_fric，具体如步骤24-26所示。

步骤24：计算每个轴的第二理论力矩，利用反馈力矩和第二理论力矩，计算理论摩擦力矩。

采用如下公式计算不含摩擦力矩项的每个轴对应的第二理论力矩：

其中，M为惯性力矩阵，为每个轴的加速度，/>为当前滤波后的每个轴的速度，C为哥氏力和离心力矩阵，G为重力矩阵，τ'_mot为机器人中每个轴对应的第二理论力矩。

然后结合反馈力矩τ_fb，将滤波后的反馈力矩与第二理论力矩作差，得到理论摩擦力矩，即采用如下公式计算理论摩擦力矩τ'_fric：

τ'_fric＝τ_fb-τ'_mot

在一具体的实施例中，计算摩擦修正系数，其含义为在预设个数的运动周期(例如K个运动周期)内每个运动周期辨识得到的摩擦力矩与理论摩擦力矩的比值的均值，该K个周期为当前运动周期的前K个周期，采用如下公式计算摩擦修正系数：

其中，p为摩擦修正系数，i为运动周期的序号，τ”_fric(i)为第i个运动周期对应的摩擦力矩，τ'_fric(i)为第i个运动周期对应的理论摩擦力矩。

步骤25：利用摩擦修正系数对理论摩擦力矩进行修正，得到修正后的理论摩擦力矩。

根据计算得到的摩擦修正系数，修正摩擦力矩；具体地，将摩擦修正系数与理论摩擦力矩相乘，得到修正后的理论摩擦力矩，即采用以下公式计算修正后的理论摩擦力矩τ_fric：

τ_fric＝p*τ'_fric

步骤26：根据每个轴滤波后的速度和位置、每个轴的加速度以及修正后的摩擦力矩，计算第一理论力矩。

将滤波后的每个轴的位置、滤波后的每个轴的速度、每个轴的加速度以及修正后的摩擦力矩代入如下所示的动力学公式，计算每个轴运动所需的第一理论力矩τ_mot：

步骤27：根据反馈力矩和第一理论力矩，计算外力力矩。

根据反馈力矩与第一理论力矩的差值，计算当前碰撞所产生的外力力矩；具体地，将反馈力矩与第一理论力矩作差，得到外力力矩，即采用以下公式计算外力力矩F_ext：

F_ext＝τ_fb-τ_mot

在一具体的实施例中，可根据滤波后的每个轴的速度与每个轴的加速度，动态调整预设力矩阈值，例如，采用以下公式计算预设力矩阈值：

其中，F为预设力矩阈值，为每个轴的最大速度，/>为当前滤波后的每个轴的加速度，/>为每个轴的最大加速度，k₁为速度调节因子，k₂为加速度调节因子，k为灵敏度值。速度调节因子k₁、加速度调节因子k₂以及灵敏度值k可根据性能要求或经验值进行设定。

步骤28：判断外力力矩是否大于预设力矩阈值。

步骤29：若外力力矩大于或等于预设力矩阈值，则判定为检测到碰撞，并在检测到碰撞后，发送控制指令给机器人中的驱动器，以使得驱动器控制电机进入力矩模式；若外力力矩小于预设力矩阈值，则判定为未检测到碰撞。

设定动态碰撞检测的预设力矩阈值，如果估计的外力力矩大于或等于预设力矩阈值，则检测到碰撞；在检测到碰撞后，控制器发送控制指令给驱动器，驱动器可控制电机，使得电机处于力矩模式，比如使得电机进入零力状态，在力矩模式下，机器人中每个轴输出相应的力矩；具体地，每个轴根据动力学公式提供当前位姿下的重力矩，使机器人处于受力为零的状态，机器人能够根据当前受力状态而运动，减轻对碰撞事物以及机器人本体的损伤。

在一具体的实施例中，可判断外力力矩的绝对值|F_ext|与预设力矩阈值F的大小关系，如果|F_ext|≥F，则检测到碰撞，否则未检测到碰撞。

本申请无需借助力矩传感器，采用动态设置预设力矩阈值的方式，根据机器人当前速度以及当前加速度，对预设力矩阈值进行动态调整，防止轴换向时因加速度过大而导致检测到的外力力矩过大，产生误报警问题，以及机器人处于高速状态下，因摩擦力矩辨识误差过大而导致的误报警问题，可减少误报警情况。另外，为了增加估计的准确性，在对摩擦力矩进行修正时，提出一种摩擦力矩修正方法，基于多个运动周期内每个运动周期对应的理论摩擦力矩与辨识到的摩擦力矩的比值，通过算法得到摩擦修正系数，然后利用摩擦修正系数对摩擦力矩进行修正。此外，在产生碰撞现象后，机器人进入零力状态，可释放机器人因急停而产生的残余应力，降低对人员、设备或机器人本体的持续伤害。

参阅图3，图3是本申请提供的自适应碰撞检测装置一实施例的结构示意图，自适应碰撞检测装置30包括互相连接的存储器31和处理器32，其中，存储器31用于存储计算机程序，计算机程序在被处理器32执行时，用于实现上述实施例中的自适应碰撞检测方法。

自适应碰撞检测装置30通过对摩擦力矩进行修正，比较修正后的摩擦力矩与预设力矩阈值之间的大小关系，来判断是否发生碰撞，可提高碰撞检测精度，降低误报警几率。

参阅图4，图4是本申请提供的存储介质一实施例的结构示意图，存储介质40用于存储计算机程序41，计算机程序41在被处理器执行时，用于实现上述实施例中的自适应碰撞检测方法。

存储介质40可以是服务端、U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施方式仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅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。

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网络单元上。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方式方案的目的。

另外，在本申请各个实施方式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。

以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种自适应碰撞检测方法，其特征在于，包括：

对机器人中每个轴的摩擦力矩进行辨识，得到每个轴当前速度对应的摩擦力矩，并对所述摩擦力矩进行修正，得到修正后的摩擦力矩；

根据每个轴的速度和位置以及所述修正后的摩擦力矩，计算第一理论力矩；

根据反馈力矩和所述第一理论力矩，计算外力力矩；

判断所述外力力矩是否大于预设力矩阈值；

若是，则判定为检测到碰撞；若否，则判定为未检测到碰撞；

所述对机器人中每个轴的摩擦力矩进行辨识，得到每个轴当前速度对应的摩擦力矩，并对所述摩擦力矩进行修正，得到修正后的摩擦力矩的步骤之前，包括：

对所述每个轴的速度和位置以及所述反馈力矩进行滤波处理；

所述对所述摩擦力矩进行修正，得到修正后的摩擦力矩的步骤，包括：

计算所述每个轴的第二理论力矩；

将所述反馈力矩与所述第二理论力矩作差，得到理论摩擦力矩；

利用摩擦修正系数对所述理论摩擦力矩进行修正，得到修正后的理论摩擦力矩；

采用以下公式计算所述摩擦修正系数：

其中，p为所述摩擦修正系数，K为预设的每个轴的运动周期的数量，i为所述运动周期的序号，τ'_f'_ric(i)为第i个运动周期对应的所述摩擦力矩，τ'_fric(i)为第i个运动周期对应的所述理论摩擦力矩。

2.根据权利要求1所述的自适应碰撞检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

将滤波后的每个轴的速度与滤波前的每个轴的速度进行差分处理，得到每个轴的加速度；

所述根据每个轴的速度和位置以及所述修正后的摩擦力矩，计算第一理论力矩的步骤，包括：

根据所述每个轴滤波后的速度和位置、所述每个轴的加速度以及所述修正后的摩擦力矩，计算所述第一理论力矩。

3.根据权利要求1所述的自适应碰撞检测方法，其特征在于，所述利用摩擦修正系数对所述理论摩擦力矩进行修正，得到修正后的理论摩擦力矩的步骤，包括：

将所述摩擦修正系数与所述理论摩擦力矩相乘，得到所述修正后的理论摩擦力矩。

4.根据权利要求1所述的自适应碰撞检测方法，其特征在于，采用以下公式计算所述预设力矩阈值：

其中，F为所述预设力矩阈值，为当前滤波后的每个轴的速度，/>为所述每个轴的最大速度，/>为当前滤波后的每个轴的加速度，/>为所述每个轴的最大加速度，k₁为速度调节因子，k₂为加速度调节因子，k为灵敏度值。

5.根据权利要求1所述的自适应碰撞检测方法，其特征在于，所述根据反馈力矩和所述第一理论力矩，计算外力力矩的步骤，包括：

将所述反馈力矩与所述第一理论力矩作差，得到所述外力力矩。

6.一种自适应碰撞检测装置，其特征在于，包括互相连接的存储器和处理器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时，用于实现权利要求1-5中任一项所述的自适应碰撞检测方法。

7.一种存储介质，用于存储计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器执行时，用于实现权利要求1-5中任一项所述的自适应碰撞检测方法。