CN113352331B - 一种机器人与外部对象力协作的方法及协作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人与外部对象力协作的方法及协作机器人，机器人运行过程中受外部作用力，所述外部作用力包括可预知的外部对象对机器人产生的预期作用力和其他来源的非预期作用力，所述方法包括：建立机器人的动力学模型；获取机器人的预期作用力；计算机器人目标运行参数的理论值；获取目标运行参数的实际值，计算所述目标运行参数的实际值和理论值的差值；设定机器人的安全参数并据此获知目标运行参数的安全阈值；当比较所述差值大于目标运行参数的安全阈值时控制机器人进入安全状态。本发明具体实施例的有益效果是：机器人能够和外部对象力协作，且通过对预期作用力的去干扰处理，确保机器人的安全可靠运行。

Description

一种机器人与外部对象力协作的方法及协作机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，特别是涉及一种机器人与外部对象力协作的方法及协作机器人。

背景技术

工业机器人是在工业环境中广泛运用的一类机器人，工业机器人可以分为传统的工业机器人和新型的协作机器人。协作机器人因其自重小、体积小、适应性好而更易布置在多种场景中执行工作，协作机器人相较传统的工业机器人在安全性、易用性、协同性能等方面有显著提升。

协作机器人常用于协同工作的场合，例如和其他外部对象协同执行工作，或者和人协同执行工作，协作机器人对安全性要求较高，因此需要准确的执行安全监测的功能，以避免对工作环境中的人造成伤害。协作机器人具有安全功能监测各项运行参数，协作机器人的运动主要通过关节位置或力矩控制实现。协作机器人通常能够通过检测到异常的外力接触来判断是否遇到障碍，并在判断为接触到障碍且满足安全监测的某些条件时控制机器人进入安全状态，例如减速或停机，从而保证协作机器人运行过程中的安全性。但当机器人同时受到其他力作用时，若不能妥善处理，将容易造成误判，引起协作机器人异常运行或影响协作机器人运行的性能。

因此，有必要设计一种机器人与外部对象力协作的方法及协作机器人。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种机器人与外部对象力协作的方法及协作机器人，以克服传统的协作机器人无法处理受复数种外部作用力的场景，容易引起误判从而影响机器人运行安全性的问题。本发明可采用如下技术方案：一种机器人与外部对象力协作的方法，应用于对协作机器人的控制，机器人运行过程中受外部作用力，所述外部作用力包括可预知的外部对象对机器人产生的预期作用力和其他来源的非预期作用力，所述方法包括：建立机器人的动力学模型，所述动力学模型包括对预期作用力的参数处理；预设预期作用力的类型和/或作用力位置，并据此判断是否存在条件匹配的预期作用力；获取机器人的预期作用力；响应于目标运行参数的获取需求，根据预期作用力和动力学模型，计算机器人目标运行参数的理论值；获取目标运行参数的实际值，计算所述目标运行参数的实际值和目标运行参数的理论值的差值，所述差值表示非预期作用力对目标运行参数的影响；设定机器人的安全参数；根据所述安全参数确定目标运行参数的安全阈值，所述安全阈值表示机器人正常运行时目标运行参数的最大值；比较所述差值和目标运行参数的安全阈值，当所述差值大于所述目标运行参数的安全阈值时，控制机器人进入安全状态。

进一步的，所述机器人包括底座、连杆、关节和末端连接器，所述关节包括肘部关节，肘部关节连接机器人俩较长的连杆，所述末端连接器用于连接工具以执行具体工作，所述安全参数包括：工具力、肘部力、关节力矩、机器人功率和动量。

所述肘部力的安全参数表示机器人的肘部关节受外力影响的阈值，例如，肘部关节发生碰撞时碰撞力的大小；所述工具力的安全参数衡量末端连接器受外力影响的阈值，例如，末端连接器或工具发生碰撞时碰撞力的大小。

进一步的，所述外部对象是机器人的工作对象，或所述外部对象协助机器人工作，或所述外部对象是机器人的可运动安装平台。

进一步的，所述预期作用力包括以下至少其一：助力机械臂或阻力机械臂对机器人的作用力、用户协助机器人执行工作的作用力、机器人工作对象对机器人的作用力、可运动安装平台对机器人产生的惯性力。

进一步的，所述获取机器人的预期作用力包括：根据设置于预期作用力位置的传感器获取机器人的预期作用力，和/或，根据与外部对象的通信获取机器人的预期作用力。

进一步的，所述目标运行参数包括：机器人的关节力/力矩，所述方法包括：根据安全参数确定关节力/力矩的安全阈值。

本发明还可采用如下技术方案：一种协作机器人，所述协作机器人能够与外部对象协同工作，机器人运行过程中受外部作用力，所述外部作用力包括可预知的外部对象对机器人产生的预期作用力和其他来源的非预期作用力，所述机器人包括：建模模块，用于建立机器人的动力学模型，所述动力学模型包括对预期作用力的参数处理；预设模块，所述预设模块用于预设预期作用力的类型和/或作用力位置，所述第一获取模块据此判断是否存在匹配的预期作用力；第一获取模块，用于获取机器人的预期作用力；计算模块，响应于目标运行参数的获取需求，根据预期作用力和动力学模型，计算机器人目标运行参数的理论值；第二获取模块，用于获取目标运行参数的实际值；安全监测模块，用于设定机器人的安全参数，根据所述安全参数确定目标运行参数的安全阈值，所述安全阈值表示机器人正常运行时目标运行参数的最大值；处理模块，用于计算所述目标运行参数的实际值和目标运行参数的理论值的差值，所述差值表示所述非预期作用力对目标运行参数的影响；比较所述差值和目标运行参数的安全阈值，当所述差值大于所述目标运行参数的安全阈值时，控制机器人进入安全状态。

进一步的，所述预期作用力包括以下至少其一：助力机械臂或阻力机械臂对机器人的作用力、用户协助机器人执行工作的作用力、机器人工作对象对机器人的作用力、可运动安装平台对机器人产生的惯性力。

进一步的，所述第一获取模块包括通信模块，所述机器人根据通信模块建立与外部对象之间的通信以获取预期作用力；和/或，所述第一获取模块包括设置于预期作用力位置的传感器以获取机器人的预期作用力。

进一步的，所述目标运行参数包括：机器人的关节力/力矩，所述处理模块根据安全参数确定关节力/力矩的安全阈值。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果在于：在机器人存在协作对象的场景下，通过分析协作对象的作用效果和机器人实际的运行参数，滤除协作对象对机器人运行控制的不必要影响，识别机器人所受其他外力对机器人运行的影响并基于执行机器人的安全控制，从而在对外部作用力判断时不考虑协作对象的作用力效果，使得机器人能够和外部对象协同工作且不会影响机器人原本的安全监测，避免产生误判引起安全风险。

附图说明

以上所述的本发明的目的、技术方案以及有益效果可以通过下面附图实现：

图1是本发明一个实施例的机器人与外部对象协作的示意图；

图2是本发明一个实施例的力协作的方法示意图；

图3是本发明一个实施例的协作机器人的示意图；

图4是本发明一个实施例的协作机器人的模块图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的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。

本发明保护一种机器人与外部对象力协作的方法，参图1-3，应用于对协作机器人的控制，所述外部对象是机器人的工作对象、或所述外部对象协助机器人工作、或所述外部对象是机器人的可运动安装平台，参图1，图1示出了机器人100与外部对象200力协作的示意图，例如，机器人在对工作对象产生作用力时，工作对象对机器人100也产生作用力；或者，外部对象包括助力机械臂、阻力机械臂、用户等，外部对象能够对机器人100施加力以辅助机器人工作，例如，助力机械臂可以向机械臂施加拉力以辅助机器人提升重物；或者，机器人安装于可运动的安装平台上，可运动安装平台产生加速度时，机器人产生惯性力。机器人运行过程中会受到外部作用力，外部作用力包括可预知的外部对象对机器人产生的预期作用力和其他来源的非预期作用力，其中外部对象200对机器人100的预期作用力可以被获取，且预期作用力的作用效果能够被预知及预先规划，机器人运行过程中需要监测外部作用力以及执行相应的安全监测等功能，而机器人100实际需要监测的外部作用力是预期作用力以外的作用力，因此在基于外部作用力的功能中，需要排除预期作用力的影响，以保证机器人运行的准确性和安全性，防止机器人发生误判或产生不准确的控制信息。

参图2，机器人对外部对象力协作的方法包括：S1、建立机器人的动力学模型，所述动力学模型包括对预期作用力的参数处理；S2、获取机器人的预期作用力；S3、响应于目标运行参数的获取需求，根据预期作用力和动力学模型，计算机器人目标运行参数的理论值；S4、获取目标运行参数的实际值，计算所述目标运行参数的实际值和目标运行参数的理论值的差值，其中，所述差值表示非预期作用力对目标运行参数的影响；S5、设定机器人的安全参数；S6、根据所述安全参数确定目标运行参数的安全阈值，所述安全阈值表示机器人正常运行时目标运行参数的最大值；S7、比较所述差值和目标运行参数的安全阈值，当所述差值大于所述目标运行参数的安全阈值时，控制机器人进入安全状态。机器人的外部作用力包括协助对象所产生的预期作用力和其他的非预期作用力，通过确定非预期作用力对目标运行参数的影响，并基于该差值评估机器人的安全状态，能够准确的评估外部作用力对安全性的影响，有利于机器人安全、稳定运行。

其中，通过对目标运行参数的差值的计算，该差值能够反映非预期作用力对目标运行参数的影响，监测机器人的安全状态时，主要是判断机器人因为受外部作用力引起的各项参数的变化，而外部对象与机器人协作时，这部分的预期作用力不是安全性监测的目标，差值反映非预期作用力的影响，基于该差值能够确定非预期作用力对安全参数对应的各项运行参数的影响，进而判断机器人所受的外部作用力是否满足机器人当前的安全参数要求。预期作用力不是安全参数的监测目标，如果将外部作用力整体作为安全监测目标，则也会监测预期作用力的影响，而预期作用力很可能超出安全参数的限制，进而触发机器人进入安全状态，影响机器人的力协作状态。同时，在执行力协作时，无论是机器人和助力机械臂协作，还是和人协作，又或者是和可运动安装平台协作，施加给机器人的力类型和大小都在可预知和可控的范围内，由它们导致的外部作用力，也不是机器人安全监测的对象。具体的，所述安全状态包括减速、停机等。

可理解的，机器人自身包括多项安全参数，但并非所有的参数均需要考虑预期作用力的影响并予以排除以保证安全监测的准确性，具体的，本实施例主要用于监控与机器人受力相关的安全参数。参图3，协作机器人100包括底座30、连杆40、关节20和末端连接器50，所述关节20包括肘部关节21，肘部关节21连接机器人100俩较长的连杆40，所述末端连接器50用于连接工具300以执行具体工作，本实施例中的安全参数包括：工具力、肘部力、关节力矩、机器人功率和动量。

示例性的，根据安全运行参数，将其映射到关节空间得到目标运行参数的安全阈值，进而将目标运行参数的差值和目标运行参数的安全阈值比较确定机器人是否处于安全运行状态。

机器人的动力学模型会考虑关节位置速度、加速度、末端的负载参数、重力加速度等变量，也会考虑机器人的固有参数，例如机器人的连杆的长度、质量、质心和惯量等，并据此生成处理机器人运行相关的参数，本发明所提供的技术方案中，动力学模型还考虑预期作用力的影响，通过对动力学模型增加对预期作用力的参数处理，能够区分预期作用力的影响，充分将其考虑进机器人的参数处理过程中，进而有效去除预期作用力对机器人运行的可能干扰。

进一步的，获取机器人100的预期作用力，即获取外部对象200对机器人100的作用力。可选的，该方法还包括预设预期作用力的类型和/或作用力位置，在判断存在条件匹配的预期作用力时才获取预期作用力；可选的，获取预期作用力的方式包括，根据设置于预期作用力位置的传感器获取机器人100的预期作用力，和/或根据与外部对象200的通信获取机器人的预期作用力，即机器人可预先设定预期作用力的类型和位置，在相应的位置设置传感器，通过该传感器的检测可获取预期作用力，或者，机器人100与外部对象200建立通信，通过通信方式获取外部对象对机器人的预期作用力，也即机器人可直接获取外部对象对机器人的预期作用力，但非预期作用力的发生是机器人计划之外的，例如机器人遭到异常的碰撞等，机器人无法事先预测将会发生碰撞的位置和作用力大小，而只有精准的确定非预期作用力的效果，方能实现对机器人的准确控制。

机器人100响应于目标运行参数的获取需求，根据预期作用力和动力学模型，计算机器人目标运行参数的理论值，此时，目标运行参数的理论值考虑了预期作用力的影响，再获取目标运行参数的实际值，目标运行参数的实际值包括预期作用力和非预期作用力的影响，通过将目标运行参数的实际值和目标运行参数的理论值做差得到的差值，就表示机器人的非预期作用力对目标运行参数的影响，也即机器人所受的其他外力对目标运行参数的影响，基于该差值执行对机器人安全监测，能够准确的考虑外部作用力的影响，同时去掉预期作用力的干扰效果，保证机器人执行安全监测是是基于非预期作用力展开的，保证机器人执行安全监测的准确性。具体的，执行对机器人的安全监测包括前文所述的：设定机器人的安全参数；根据所述安全参数确定目标运行参数的安全阈值，所述安全阈值表示机器人正常运行时目标运行参数的最大值；比较所述差值和目标运行参数的安全阈值，当所述差值大于所述目标运行参数的安全阈值时，控制机器人进入安全状态。具体的，所述安全状态包括减速、停机等保证机器人对环境安全性的措施。

在本发明的一个实施例中，所述外部对象包括外部助力装置或外部阻力装置或可运动的安装平台，例如，所述外部对象包括助力机械臂，或者，所述外部对象包括被动机械臂，所述外部对象能够至少部分的辅助所述机器人执行工作。通过获取所述预期作用力，并通过动力学模型处理时考虑所述预期作用力，以排除所述预期作用力对目标运行参数的影响。例如，当机器人执行安全功能或拖拽功能时，预期作用力信息会干扰安全功能和拖拽功能的实现，机器人不能准确判断当前受外部作用力的安全状况，或者不能准确判断机器人所受的拖拽力，进而影响机器人运行性能。

相应的，所述预期作用力包括以下至少其一：助力机械臂或阻力机械臂对机器人的作用力、用户协助机器人执行工作的作用力、机器人工作对象对机器人的作用力、可运动安装平台对机器人产生的惯性力。可理解的，所述惯性力，是指当可运动安装平台产生加速度时，机器人所产生的惯性力。

具体的，所述机器人能够根据目标运行参数直接执行运行控制、安全监测或基于目标运行参数进行再计算后执行运行控制、安全监测，在一个具体的实施例中，所述目标运行参数包括：机器人的关节力/力矩，协作机器人包括多个关节20，关节内安装相应传感器检测关节力/力矩。所述方法包括：根据安全参数确定关节力/力矩的安全阈值。

在一个具体的实施例中，目标运行参数包括关节力矩，基于机器人动力学模型和预期作用力计算机器人关节力矩的理论值为：

其中，

分别为机器人各关节的位置、速度和加速度。

为机器人动力学模型的惯性力矩。

为机器人动力学模型的向心力矩与科氏力矩。G(q,g_e)为机器人动力学模型的重力矩，g_e为考虑惯性作用的等效环境加速度。

为机器人动力学模型的摩擦力矩，T为关节温度，τ_load为等效关节负载。∑J^T(q)F_ext为所有作用于机器人连杆上的预期作用力所产生的外力矩之和，J^T(q)为预期作用力作用位置处的等效雅克比矩阵的转置矩阵，F_ext为预期作用力。因此，基于关节力矩实际值τ_f和基于机器人动力学模型计算获得的关节力矩的理论值τ_d的差值为：Δτ＝τ_f-τ_d。

以上优选实施例的有益效果是：实现了外部设备和协作机器人的力协作，通过获取预期作用力，在考虑机器人外部作用力带来的影响时，通过处理以去除预期作用力的影响得到目标运行参数的差值，基于所述差值执行机器人的安全监测，从而准确的考虑非预期作用力对机器人运行的影响，使得机器人安全性检测准确，机器人运行稳定。

本发明还保护一种协作机器人，参图4，所述协作机器人100能够与外部对象协同工作，所述外部对象是机器人的工作对象或所述外部对象协助机器人工作或所述外部对象是可运动安装平台，机器人运行过程中受外部作用力，所述外部作用力包括可预知的外部对象对机器人产生的预期作用力和其他来源的非预期作用力，所述机器人100包括：建模模块1，用于建立机器人100的动力学模型，所述动力学模型包括对预期作用力的参数处理；第一获取模块2，用于获取机器人的预期作用力；计算模块3，响应于目标运行参数的获取需求，根据预期作用力和动力学模型，计算机器人目标运行参数的理论值；第二获取模块4，用于获取目标运行参数的实际值；安全监测模块7，所述安全监测模块7用于设定机器人的安全参数，根据所述安全参数确定目标运行参数的安全阈值，所述安全阈值表示机器人正常运行时目标运行参数的最大值；处理模块5，用于比较所述差值和目标运行参数的安全阈值，当所述差值大于所述目标运行参数的安全阈值时，控制机器人进入安全状态。通过将机器人所受的外部作用力区分预期作用力和非预期作用力处理，确定非预期作用力对对目标运行参数的影响，并基于非预期作用力对目标运行参数的影响执行机器人的安全监测，使得机器人安全性判定较为准确。

可理解的，机器人100包括多个安全参数，需要考虑预期作用力的安全参数是与机器人的受力有关的安全参数，所述机器人包括底座、连杆、关节和末端连接器，所述关节包括肘部关节，肘部关节连接机器人俩较长的连杆，所述末端连接器用于连接工具以执行具体工作，所述安全参数包括：工具力、肘部力、关节力矩、机器人功率和动量。所述肘部力的安全参数表示机器人的肘部关节受外力影响的阈值，例如，肘部关节发生碰撞时碰撞力的大小；所述工具力的安全参数衡量末端连接器受外力影响的阈值，例如，末端连接器或工具发生碰撞时碰撞力的大小。可选的，安全监测模块可根据安全运行参数，将其映射到关节空间得到目标运行参数的安全阈值，进而通过处理模块将目标运行参数的差值和目标运行参数的安全阈值比较确定机器人是否处于安全运行状态。

其中，所述第一获取模块2用于获取机器人的预期作用力，所述第一获取模块2可通过通信方式获取或通过传感器检测的方式获取，所述第一获取模块2包括通信模块，所述机器人100根据通信模块建立与外部对象之间的通信以获取预期作用力；和/或，所述第一获取模块2包括设置于预期作用力位置的传感器以获取机器人的预期作用力。可选的，所述机器人100包括预设模块6，所述预设模块用于预设预期作用力的类型和/或作用力位置，所述第一获取模块2据此判断是否存在匹配的预期作用力。可选的，所述第一获取模块2设置于预期作用力位置，检测到预期作用力位置存在作用力时判断为存在预期作用力。

所述外部对象可选的包括外部助力装置或外部阻力装置，例如，所述外部对象包括助力机械臂，或者，所述外部对象包括被动机械臂，所述外部对象能够至少部分的辅助所述机器人执行工作。所述预期作用力是所述外部对象对所述机器人的作用力，所述预期作用力包括以下至少其一：助力机械臂或阻力机械臂对机器人的作用力、用户协助机器人执行工作的作用力、机器人工作对象对机器人的作用力、可运动安装平台对机器人产生的惯性力。

具体的，所述机器人能够根据目标运行参数直接执行安全监测或通过处理模块5对目标运行参数进行再计算后执行安全监测，在一个具体的实施例中，所述目标运行参数包括：机器人的关节力/力矩，协作机器人包括多个关节，关节内安装相应传感器检测关节力/力矩，所述处理模块5根据安全参数确定关节力/力矩的安全阈值。

在一个具体的实施例中，目标运行参数包括关节力矩，基于机器人动力学模型和预期作用力计算机器人关节力矩的理论值为：

其中，

分别为机器人各关节的位置、速度和加速度。

为机器人动力学模型的惯性力矩。

为机器人动力学模型的向心力矩与科氏力矩。G(q,g_e)为机器人动力学模型的重力矩，g_e为考虑惯性作用的等效环境加速度。

为机器人动力学模型的摩擦力矩，T为关节温度，τ_load为等效关节负载。∑J^T(q)F_ext为所有作用于机器人连杆上的预期作用力所产生的外力矩之和，J^T(q)为预期作用力作用位置处的等效雅克比矩阵的转置矩阵，F_ext为预期作用力。因此，关节力矩实际值τ_f和基于机器人动力学模型计算获得的关节力矩的理论值τ_d的差值为：Δτ＝τ_f-τ_d。需要说明的是，本实施例中机器人各模块所实现技术方案的过程，与前文中所述的机器人与外部对象力协作的方法中的描述保持一致，此处不再详细展开。

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 (1)

1.一种机器人与外部对象力协作的方法，应用于对协作机器人的控制，其特征在于，机器人运行过程中受外部作用力，所述外部作用力包括可预知的外部对象对机器人产生的预期作用力和其他来源的非预期作用力；

所述外部对象能够协助机器人工作，所述外部对象为助力机械臂、阻力机械臂或用户，相应地，所述预期作用力为助力机械臂对机器人的作用力、阻力机械臂或用户协助机器人执行工作的作用力；

所述机器人包括底座、两个连杆、关节和末端连接器，所述关节包括肘部关节，所述两个连杆通过肘部关节连接，所述末端连接器用于连接工具以执行工作；

所述方法包括：

建立机器人动力学模型，所述动力学模型包括对预期作用力的参数处理，

预设预期作用力的类型和/或作用力位置，并据此判断是否存在条件匹配的预期作用力；

获取机器人的预期作用力；

响应于目标运行参数的获取需求，根据预期作用力和机器人动力学模型，计算机器人目标运行参数的理论值，所述目标运行参数为机器人的关节力矩；

其中，所述根据预期作用力和机器人动力学模型，计算机器人目标运行参数的理论值为：

，

其中，

分别为机器人各关节的位置、速度和加速度；

为机器人动力学模型的惯性力矩；

为机器人动力学模型的向心力矩与科氏力矩；

为机器人动力学模型的重力矩，

为考虑惯性作用的等效环境加速度；

为机器人动力学模型的摩擦力矩，

为关节温度，

为等效关节负载，

为所有作用于连杆上的预期作用力所产生的外力矩之和，

为预期作用力作用位置处的等效雅克比矩阵的转置矩阵，

为预期作用力；

获取目标运行参数的实际值，计算所述目标运行参数的实际值和目标运行参数的理论值的差值，所述差值表示非预期作用力对目标运行参数的影响；

设定机器人的安全参数；

根据所述安全参数确定目标运行参数的安全阈值，所述安全阈值表示机器人正常运行时目标运行参数的最大值；

比较所述差值和目标运行参数的安全阈值，当所述差值大于所述目标运行参数的安全阈值时，控制机器人进入安全状态；

所述安全参数包括：工具力、肘部力、关节力矩、机器人功率和动量；

所述获取机器人的预期作用力包括：机器人预先设定预期作用力的类型和/或预期作用力位置，在相应的位置设置传感器，根据设置于预期作用力位置的传感器获取机器人的预期作用力。

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