CN113021353A - 机器人碰撞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种机器人碰撞检测方法，适用于至少由一个机器人关节，伺服驱动器，电流检测器和控制器构成的机器人系统。机器人关节包括连杆，减速机和伺服电机，伺服电机配备位置检测单元，位置检测单元实时检测机器人关节位置信息，电流检测器实时检测伺服电机驱动电流。利用机器人关节电机电流I可分解为实现动力学运动的电机电流分量I1，克服关节摩擦的电机电流分量I2，以及碰撞所致的电机电流分量I3的原理，当碰撞所致的电机电流分量I3超过碰撞阈值，则判定机器人该关节连杆发生碰撞。本发明所提出的机器人碰撞检测方法无需额外添加传感器，就能检测出机器人与外界环境发生的碰撞。

Description

机器人碰撞检测方法

技术领域

本发明属于机器人碰撞检测技术领域，尤其涉及一种机器人碰撞检测方法。

背景技术

近年来，随着工业机器人的推广应用，多机器人协作、机器人与人协作的场合日益增多，对工业机器人安全性提出了更高的要求。由于工业机器人自由度多、动作复杂，在不可预料的情况下，容易与其他机器人或周围的物体发生碰撞，损坏机械手或物件。操作人员操作机器人的过程中，也不可避免的需要与机器人接触。因此，如何在开放的工作环境内实现机器人-机器人或机器人-人的碰撞保护，成为工业机器人交互安全控制领域至关重要的问题。

专利CN11048678A(申请日期为2019年7月19日，公开日期为2020年11月12日)公开了一种工业机器人碰撞检测方法，采用基于矩差的碰撞检测方法，在机器人运行过程中，实时预测出各关节的预测力矩，并计算出预测力矩和实际去噪力矩之间的差值。此发明运用计算预测力矩和实际去噪力矩的相关值的方法，精确地计算出各个关节实际去噪力矩相对于预测力矩的滞后时间，从而对关节预测力矩做延迟处理，使得两者力矩差误差更小，减小碰撞阈值，提高碰撞检测的灵敏度。但还是存在以下问题：1)未考虑关节摩擦所造成的影响，关节摩擦在机器人运行开始和停止阶段会突变，容易造成碰撞误检测的情况。2)关节力矩值并不容易获得，通过驱动器获得的力矩并不准确。

专利CN111037564A(申请日期为2019年12月27日，公开日期为2020年04月21日)公开了一种机器人碰撞检测方法，包括以下步骤：所述机器人的处理器获取加速度传感器的检测参数，其中，所述加速度传感器设置于所述机器人机械臂的末端；基于所述检测参数对应的加速度，确定所述机器人当前是否发生碰撞；若确定所述机器人当前发生碰撞，则控制所述机器人的机械臂停止运行。发明能够根据机器人末端的加速度实时检测机器人是否发生碰撞，但还是存在以下问题：1)仅能检测机器人末端位置的碰撞，不能检测机器人连杆的其他位置的碰撞。2)使用加速度传感器增加了经济成本，经济效益低。3)未考虑关节摩擦所造成的影响。

专利CN108372505A(申请日期为2018年1月31日，公开日期为2018年08月07日)公开了一种基于动力学的机器人的碰撞检测算法及系统，该碰撞检测算法包括：建立机器人中每个杆件相对于基座坐标系的运动坐标系；建立机器人的递归牛顿-欧拉运动方程；确定机器人中每个杆件的运动学参数；确定机器人中每个杆件的理论力矩值；确定机器人中每个杆件的所述理论力矩值与机器人中每个杆件的实际检测力矩值之间的差值，从而判断机器人中对应的杆件是否发生碰撞。但是存在以下几个问题：1)未考虑关节摩擦所造成的影响，容易在机器人运行开始或停止阶段造成误检测的情况。2)并未解释实际力矩值如何获得，若通过关节力矩传感器获得无疑增加了经济成本。

综上所述，现有方法大多需要加装大量的外部传感器，通过关节力矩分析碰撞问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种机器人碰撞检测方法，旨在提供一种仅使用工业机器人电流信息实现外部碰撞检测的方法，不增加工业机器人的应用成本，实用性好，并具备较高的检测精度。该方法适用于至少由一个机器人关节，伺服驱动器，电流检测器和控制器构成的机器人系统。机器人关节包括连杆，减速机和伺服电机，伺服电机配备位置检测单元，位置检测单元实时检测机器人关节位置信息，电流检测器实时检测伺服电机驱动电流。利用机器人关节电机电流I可分解为实现动力学运动的电机电流分量I1，克服关节摩擦的电机电流分量I2，以及碰撞所致的电机电流分量I3的原理，当碰撞所致的电机电流分量I3超过碰撞阈值，则判定机器人该关节连杆发生碰撞。本发明所提出的机器人碰撞检测方法无需额外添加传感器，就能检测出机器人与外界环境发生的碰撞，设计无外部传感器的碰撞检测方法，解决了基于外部传感器的机器人碰撞检测增加的控制系统的复杂性，降低了应用成本。

该方法成本低，实用性高，仅需读取关节电机电流、位置、速度和加速度信息就可检测出碰撞，无需添加外部传感器，解决了基于外部传感器的机器人碰撞检测方法所增加的控制系统的复杂性，降低了机器人的成本。

本发明具体采用以下技术方案：

一种机器人碰撞检测方法，其特征在于：基于由至少一个机器人关节、伺服驱动器、电流检测器和控制器构成的机器人系统；所述机器人关节包括连杆、减速机和伺服电机；所述伺服驱动器与伺服电机经电流检测器相连，所述控制器与伺服驱动器和电流检测器相连，所述伺服电机与减速机和连杆串联连接，并配备位置检测单元，所述位置检测单元用于实时检测机器人关节位置信息；所述用于电流检测器实时检测伺服电机驱动电流；

将所述伺服电机驱动电流I分解为实现动力学运动的电机电流分量I1、克服关节摩擦的电机电流分量I2、以及碰撞所致的电机电流分量I3；当碰撞所致的电机电流分量I3超过碰撞阈值，则判定机器人该关节连杆发生碰撞。

优选地，所述控制器判定碰撞产生与否的过程包括以下步骤：

步骤a：所述控制器通过电流检测器实时获得伺服电机电流I；

步骤b：利用机器人系统动力学模型计算I1；

步骤c：利用摩擦数学模型计算I2；

步骤d：得到碰撞所致的电机电流分量I3＝I-I1-I2；

步骤e：所述控制器通过I3判定所述机器人连杆是否有碰撞产生。

优选地，步骤b的实现过程包括以下步骤：

步骤b1：基于拉格朗日力学建立机器人系统动力学模型，得到其一般形式：

步骤b2：基于所述位置检测单元获得的关节位置q，速度

加速度信息

代机器人动力学模型得到与I1呈线性关系的关节电机力矩τ；

步骤b3：基于I1与τ的线性关系，得到I1。

优选地，步骤c的实现过程包括以下步骤：

步骤c1：基于库伦摩擦模型，引入粘性摩擦分量，得到改进后的库伦-粘性模型，其一般形式为：

步骤c2：基于所述位置检测单元获得的速度信息

代入库伦-粘性模型，得到机器人关节克服关节摩擦的电机力矩τ_F；

步骤c3：基于I2与τ_F的线性关系，得到I2。

优选地，步骤e中，判定所述机器人连杆是否有碰撞的具体实施方法：基于电机最大输出电流定义碰撞阈值，当碰撞所致的电机电流分量I3超过碰撞阈值，则判定机器人该关节连杆发生碰撞。

优选地，步骤b2中的关节速度和加速度信息，通过对所述位置检测单元获得的关节位置信息进行一次及二次微分得到。

与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下优势：

本发明所提出的一种机器人碰撞检测方法，利用机器人关节电机电流I可分解为实现动力学运动的电机电流分量I1，克服关节摩擦的电机电流分量I2，以及碰撞所致的电机电流分量I3的原理来判断机器人关节连杆是否发生碰撞，并且只需读取关节电机的电流，关节电机角度。

一般工业机器人的关节伺服驱动器带有关节电机电流检测功能，关节角度可通过关节电机的位置检测单元进行测量，本发明所提出的机器人碰撞检测方法无需额外添加传感器，就能检测出机器人与外界环境发生的碰撞，设计无外部传感器的碰撞检测方法，解决了基于外部传感器的机器人碰撞检测增加的控制系统的复杂性，降低了应用成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例碰撞检测方法工作原理示意图；

图2为本发明实施例机器人系统结构示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

本发明实施例验证了提出的机器人碰撞检测方法，该方法具体工作原理图如图1所示，本发明实施例选择一类2自由度机器人为对象，包括2个机器人关节(即关节1、关节2)，伺服驱动器，电流检测器和控制器。

其中，机器人关节包括连杆，减速机和伺服电机；伺服驱动器与伺服电机经由电流检测器相连，控制器与伺服驱动器和电流检测器相连，伺服电机与减速机和连杆串联连接，并配备位置检测单元，位置检测单元实时检测机器人关节位置信息。电流检测器实时检测伺服电机驱动电流。

该机器人系统的结构示意图如图2所示，其中，连杆长度L₁＝290mm，L₂＝414.5mm，连杆质心到关节的长度L_C1＝109mm，L_C2＝120mm，连杆质量m₁＝15.577kg、m₂＝14.522kg。

具体验证步骤包括：

步骤1：采集当前时刻机器人关节电机电流I、关节角度q，对关节角度进行一阶和二阶微分处理，得到关节速度

及关节加速度

步骤2：基于拉格朗日力学建立机器人系统动力学模型，得到其一般形式：

动力学模型具体求解步骤为：

步骤2a：计算机器人惯性矩阵M(q)、计算式为：

其中，J_h为各连杆的雅各比矩阵，ζ_h为各连杆的惯性矩阵。

步骤2b：计算哥氏力矩阵和离心力矩阵项

计算式为：

其中，C_hj表示矩阵

的第h行、第j列的元素，M_hj表示矩阵M(q)的第h行、第j列的元素。

步骤2c：计算机器人重力矢量g(q)，计算式为：

其中，m₁、m₂为各连杆质量，g为重力加速度。

步骤3：基于机器人系统动力学模型，代入关节角度q、关节速度

及关节加速度

得到与I1呈线性关系的关节电机力矩τ，基于I1与τ的线性关系：

τ＝C_tI₁

取系数为：

得到I1。

步骤4：建立机器人关节摩擦模型，其具体步骤为：

步骤4a：基于库伦摩擦模型，引入粘性摩擦分量，得到改进后的库伦-粘性模型，其一般形式为：

F_e为关节外部受力，F_s为机器人关节从静止到运动时临界状态的静态摩擦力，F_c为库伦摩擦系数，

为库伦摩擦力，F_v为粘性摩擦系数，

是粘性摩擦力。通过摩擦辨识实验取：

步骤4b：基于位置检测单元获得的速度信息，代入关节速度

得到机器人关节克服关节摩擦的电机力矩τ_F。

步骤4c：基于I2与τ_F的线性关系，得到I2。其线性关系同步骤3。

步骤5：计算碰撞所致的电机电流分量I3＝I-I1-I2。

步骤6：基于关节电机最大输出电流I_max＝6.9A,定义关节1、关节2的碰撞阈值均为最大输出电流的10％，即I₀＝0.69A，当碰撞所致的关节1或关节2的电机电流分量I3超过该碰撞阈值，则判定机器人该关节连杆发生碰撞。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的机器人碰撞检测方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种机器人碰撞检测方法，其特征在于：基于由至少一个机器人关节、伺服驱动器、电流检测器和控制器构成的机器人系统；所述机器人关节包括连杆、减速机和伺服电机；所述伺服驱动器与伺服电机经电流检测器相连，所述控制器与伺服驱动器和电流检测器相连，所述伺服电机与减速机和连杆串联连接，并配备位置检测单元，所述位置检测单元用于实时检测机器人关节位置信息；所述用于电流检测器实时检测伺服电机驱动电流；

将所述伺服电机驱动电流I分解为实现动力学运动的电机电流分量I1、克服关节摩擦的电机电流分量I2、以及碰撞所致的电机电流分量I3；当碰撞所致的电机电流分量I3超过碰撞阈值，则判定机器人该关节连杆发生碰撞。

2.根据权利要求1所述的机器人碰撞检测方法，其特征在于：所述控制器判定碰撞产生与否的过程包括以下步骤：

步骤a：所述控制器通过电流检测器实时获得伺服电机电流I；

步骤b：利用机器人系统动力学模型计算I1；

步骤c：利用摩擦数学模型计算I2；

步骤d：得到碰撞所致的电机电流分量I3＝I-I1-I2；

步骤e：所述控制器通过I3判定所述机器人连杆是否有碰撞产生。

3.根据权利要求2所述的机器人碰撞检测方法，其特征在于：

步骤b的实现过程包括以下步骤：

步骤b1：基于拉格朗日力学建立机器人系统动力学模型，得到其一般形式：

步骤b2：基于所述位置检测单元获得的关节位置q，速度

加速度信息

代机器人动力学模型得到与I1呈线性关系的关节电机力矩τ；

步骤b3：基于I1与τ的线性关系，得到I1。

4.根据权利要求2所述的机器人碰撞检测方法，其特征在于：

步骤c的实现过程包括以下步骤：

步骤c1：基于库伦摩擦模型，引入粘性摩擦分量，得到改进后的库伦-粘性模型，其一般形式为：

步骤c2：基于所述位置检测单元获得的速度信息

代入库伦-粘性模型，得到机器人关节克服关节摩擦的电机力矩τ_F；

步骤c3：基于I2与τ_F的线性关系，得到I2。

5.根据权利要求2所述的机器人碰撞检测方法，其特征在于：步骤e中，判定所述机器人连杆是否有碰撞的具体实施方法：基于电机最大输出电流定义碰撞阈值，当碰撞所致的电机电流分量I3超过碰撞阈值，则判定机器人该关节连杆发生碰撞。

6.根据权利要求3所述的机器人碰撞检测方法，其特征在于：步骤b2中的关节速度和加速度信息，通过对所述位置检测单元获得的关节位置信息进行一次及二次微分得到。

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