CN113334359A - 基于关节电机速度控制的机器人示教方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于关节电机速度控制的机器人示教方法，测定机器人各关节电机的转矩常数，施加未知外力作用于机器人末端或任意关节，运动过程中依据关节电流计算关节驱动力矩；通过关节重力模型、关节摩擦力模型、关节驱动力矩推导出估计的示教外力矩，并建立示教外力矩与关节期望速度的映射关系，将得到的关节期望速度下发至伺服器，机器人各关节产生顺应性运动，实现简洁、有效、低成本的无力传感器直接示教。有利于快速、简洁的实现协作机器人直接示教；有利于进一步发挥协作机器人技术在各种场合的应用。

Description

基于关节电机速度控制的机器人示教方法

技术领域

本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种基于关节电机速度控制的机器人示教方法。

背景技术

在协作机器人领域，传统协作机器人示教方式主要扥为伺服级接通示教和功率级脱离示教，其中功率级脱离示教时关节电机驱动器处于脱离状态，操作人员需克服关节重力和摩擦力等关节力进行示教，较为费力，局限性较大。伺服级示教时关节处于伺服控制状态，通过电机伺服力实现关节力补偿，更为轻松有效。

现阶段伺服级示教分为力传感器和无力传感器两种方式。采用力传感器感应外力，完成直接示教，成本较高，且会一定程度上降低机器人的刚度。采用无力传感器主要通过关节电流等信息估计外力，进行机器人的运动控制。因此，研究一种简洁、有效、低成本的无力传感器直接示教方法很有必要。

发明内容

为了实现简洁、有效、低成本的无力传感器直接示教，提出了一种基于关节电机速度控制的机器人示教方法。

本发明的技术方案为：一种基于关节电机速度控制的机器人示教方法，测定机器人各关节电机的转矩常数，施加未知外力作用于机器人末端或任意关节，运动过程中依据关节电流计算关节驱动力矩；通过关节重力模型、关节摩擦力模型、关节驱动力矩推导出估计的示教外力矩，并建立示教外力矩与关节期望速度的映射关系，将得到的关节期望速度下发至伺服器，机器人各关节产生顺应性运动，实现机器人无力传感器的直接示教。

进一步，所述测定机器人各关节电机的转矩常数，具体方法：通过采集关节j电机的输出电流i_j和驱动力矩

利用关节电机的电流与电机转矩的线性关系

得出转矩常数k_j，得出k_j后，可依据各关节实时电流，得出各关节电机的实时驱动力矩，针对电流信号中的噪声，采用巴特沃斯地图滤波进行处理。

进一步，所述关节重力模型是依据力、力矩平衡方程推导各关节重力模型，即可依据各关节的关节角度θ，得出各关节所受的重力矩G(θ)具体方法为：机器人相邻两个连杆组成一个关节轴，即连杆j和连杆j+1组成关节j+1，当机器人处于静力平衡时，此时各连杆合力和合力矩为零，此时关节轴的力/力矩平衡方程如下：

式中：^j+1F_j+1表示连杆j+1受到的合力在{j+1}关节坐标系下的值，m_j+1表示连杆j+1的质量，

为连杆j+1质心加速度在{j+1}关节坐标系中的表示，^jf_j表示连杆j-1施加在连杆j上的力在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j+1相对于连杆j的旋转矩阵在{j+1}关节坐标系中的表示，^jn_j表示连杆j-1施加在连杆j上的力矩在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j+1质心在{j}关节坐标系中的位置表示，^jp_j+1表示{j+1}关节坐标系原点在{j}关节坐标系中的表示，τ_j表示平衡外力的机器人关节力矩,

表示连杆j-1施加在连杆j上的力矩转置后在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j的Z轴向量，令

带入到递推方程第一项中，等效于机器人以重力加速度在做向上加速运动，最终得到机器人在自身关节重力作用下所产生的关节力矩。

进一步，所述关节摩擦力模型是由粘性摩擦力、库伦摩擦力组成的综合摩擦力模型，表达式为：

式中：f_c为库伦摩擦力，f_s为静摩擦力，f_v为粘性摩擦力系数，w_s为stribeck速度，上述四项参数需要通过采集单一关节恒定速度

运转时的驱动力矩、重力矩代入机器人动力学方程进行拟合识别。

进一步，所述估计的示教外力矩表达式为：

τ_f＝G(θ)+τ_d-τ_s

式中，τ_f为外力矩估计值，G(θ)为重力矩，τ_d为关节摩擦力矩，τ_s为关节驱动力矩。

进一步，所述建立示教外力矩与关节期望速度的映射关系为：

式中

为关节j的期望速度，K_vj为关节j的速度增益系数，通过调试获得，

为关节j的估计外力矩。

本发明的有益效果在于：本发明基于关节电机速度控制的机器人示教方法，有利于提高快速、简洁的实现协作机器人直接示教；有利于进一步发挥协作机器人技术在各种场合的应用。

附图说明

图1为本发明基于关节电机速度控制的机器人示教方法示意图；

图2为本发明基于关节电机速度控制的机器人示教方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明公开了一种基于关节电机速度控制的机器人示教方法，旨在实现简洁、有效、低成本的无力传感器直接示教。包含以下步骤：

(1)测定机器人各关节电机的转矩常数，运动过程中依据关节电流计算关节电机驱动力矩。

(2)依据技术方案建立关节重力模型、关节摩擦力模型与示教外力矩模型。

(3)由关节重力、关节摩擦力、关节驱动力矩推导出估计的示教外力矩，并建立示教外力矩与关节期望速度

的映射关系，将得到的关节期望速度

下发至伺服器，机器人各关节产生顺应性运动，进而实现机器人的直接示教。

具体的，测定机器人各关节电机的转矩常数是通过采集关节电机的输出电流和驱动力矩，利用关节电机的电流与电机转矩的线性关系

其中

为关节j的驱动力矩，k_j为关节j电机转矩常数，得出k_j后，即可依据各关节实时电流i_j，得出各关节电机的实时驱动力矩

针对电流信号中的噪声，采用巴特沃斯地图滤波进行处理。

具体的，依据力、力矩平衡方程推导各关节重力模型，即可依据各关节的关节角度θ，得出各关节所受的重力矩G(θ)。具体方法为：

机器人相邻两个连杆组成一个关节轴，如机器人基座(连杆0)和连杆1组成关节0，即连杆j和连杆j+1组成关节j+1。当机器人处于静力平衡时，此时各连杆合力和合力矩为零，此时关节轴的力/力矩平衡方程如下：

式中：^j+1F_j+1表示连杆j+1受到的合力在{j+1}关节坐标系(依据DH参数获得)下的值，m_j+1表示连杆j+1的质量，

为连杆j+1质心加速度在{j+1}关节坐标系中的表示，^jf_j表示连杆j-1施加在连杆j上的力在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j+1相对于连杆j的旋转矩阵在{j+1}关节坐标系中的表示，^jn_j表示连杆j-1施加在连杆j上的力矩在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j+1质心在{j}关节坐标系中的位置表示，^jp_j+1表示{j+1}关节坐标系原点在{j}关节坐标系中的表示，τ_j表示平衡外力的机器人关节力矩,

表示连杆j-1施加在连杆j上的力矩转置后在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j的Z轴向量。令

带入到递推方程第一项中，等效于机器人以重力加速度在做向上加速运动，最终得到机器人在自身关节重力作用下所产生的关节力矩。

具体的，建立关节摩擦力模型,该摩擦力模型是由粘性摩擦力、库伦摩擦力组成的综合摩擦力模型，表达式为：

式中：f_c为库伦摩擦力，f_s为静摩擦力，f_v为粘性摩擦力系数，w_s为stribeck速度，上述四项参数需要通过采集单一关节恒定速度

运转时的驱动力矩、重力矩代入机器人动力学方程进行拟合识别。

具体地，示教外力矩模型是基于电流环反馈信息(电流i)、关节重力、关节摩擦力和关节驱动力矩得到的，任意关节的外力矩估计模型表达式为：

τ_f＝G(θ)+τ_d-τ_s

式中，τ_f为外力矩估计值，G(θ)为重力矩，τ_d为关节摩擦力矩，τ_s为关节驱动力矩。

具体的，建立任意关节示教外力矩与关节期望速度映射关系为：

式中

为关节j的期望速度，K_vj为关节j的速度增益系数，通过调试获得，

为关节j的估计外力矩。

具体的，方法的具体实现步骤为：

(1)操作人员施加未知外力作用于机器人末端或任意关节；

(2)机器人伺服器获取机器人关节转角θ，并计算关节速度

(3)运动控制器通过机器人伺服器获取机器人关节转角θ和关节速度

和关节电流i，并将关节转角θ发送至计算机用于实时信息展示。

(4)运动控制器依据各个关节转角θ推导各关节重力G(θ)，依据各关节速度

计算各关节摩擦力τ_d；

(5)运动控制器对关节电流并进行滤波，计算各个关节驱动力矩τ_s；

(6)运动控制器由各关节重力G(θ)、关节摩擦力τ_d和关节驱动力矩τ_s计算示教外力矩τ_f；

(7)由示教外力矩τ_f计算期望速度

并下发至伺服器。

(8)伺服器依据期望速度控制电机电流进而控制机器人各关节的运动，实现关节随外力产生顺应性运动。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于关节电机速度控制的机器人示教方法，其特征在于，测定机器人各关节电机的转矩常数，施加未知外力作用于机器人末端或任意关节，运动过程中依据关节电流计算关节驱动力矩；通过关节重力模型、关节摩擦力模型、关节驱动力矩推导出估计的示教外力矩，并建立示教外力矩与关节期望速度的映射关系，将得到的关节期望速度下发至伺服器，机器人各关节产生顺应性运动，实现机器人无力传感器的直接示教。

2.根据权利要求1所述基于关节电机速度控制的机器人示教方法，其特征在于，所述测定机器人各关节电机的转矩常数，具体方法：通过采集关节j电机的输出电流i_j和驱动力矩

利用关节电机的电流与电机转矩的线性关系

得出转矩常数k_j，得出k_j后，可依据各关节实时电流，得出各关节电机的实时驱动力矩，针对电流信号中的噪声，采用巴特沃斯地图滤波进行处理。

3.根据权利要求1所述基于关节电机速度控制的机器人示教方法，其特征在于，所述关节重力模型是依据力、力矩平衡方程推导各关节重力模型，即可依据各关节的关节角度θ，得出各关节所受的重力矩G(θ)具体方法为：

机器人相邻两个连杆组成一个关节轴，即连杆j和连杆j+1组成关节j+1，当机器人处于静力平衡时，此时各连杆合力和合力矩为零，此时关节轴的力/力矩平衡方程如下：

式中：^j+1F_j+1表示连杆j+1受到的合力在{j+1}关节坐标系下的值，m_j+1表示连杆j+1的质量，

为连杆j+1质心加速度在{j+1}关节坐标系中的表示，^jf_j表示连杆j-1施加在连杆j上的力在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j+1相对于连杆j的旋转矩阵在{j+1}关节坐标系中的表示，^jn_j表示连杆j-1施加在连杆j上的力矩在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j+1质心在{j}关节坐标系中的位置表示，^jp_j+1表示{j+1}关节坐标系原点在{j}关节坐标系中的表示，τ_j表示平衡外力的机器人关节力矩,

表示连杆j-1施加在连杆j上的力矩转置后在{j}关节坐标系中的表示，

表示连杆j的Z轴向量，令

带入到递推方程第一项中，等效于机器人以重力加速度在做向上加速运动，最终得到机器人在自身关节重力作用下所产生的关节力矩。

4.根据权利要求1所述基于关节电机速度控制的机器人示教方法，其特征在于，所述关节摩擦力模型是由粘性摩擦力、库伦摩擦力组成的综合摩擦力模型，表达式为：

式中：f_c为库伦摩擦力，f_s为静摩擦力，f_v为粘性摩擦力系数，w_s为stribeck速度，上述四项参数需要通过采集单一关节恒定速度

运转时的驱动力矩、重力矩代入机器人动力学方程进行拟合识别。

5.根据权利要求1所述基于关节电机速度控制的机器人示教方法，其特征在于，所述估计的示教外力矩表达式为：

τ_f＝G(θ)+τ_d-τ_s

式中，τ_f为外力矩估计值，G(θ)为重力矩，τ_d为关节摩擦力矩，τ_s为关节驱动力矩。

6.根据权利要求1所述基于关节电机速度控制的机器人示教方法，其特征在于，所述建立示教外力矩与关节期望速度的映射关系为：

式中

为关节j的期望速度，K_vj为关节j的速度增益系数，通过调试获得，

为关节j的估计外力矩。

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