CN113496059B - 机器人工具负载质心辨识方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种机器人工具负载质心辨识方法、系统、设备及存储介质，所述方法包括：获取所述机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组；获取所述机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组；获取所述机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组；根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组获得所述工具负载的质心位置。本发明实施例通过采集机器人本体与工具负载相邻两个关节的转动参数，并结合工具负载的质量，获取工具负载的质心位置，无需工具负载的CAD图纸，也无需机器人本体的动力学方程，大大简化了工具负载的质心位置的辨识操作。

Description

机器人工具负载质心辨识方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明实施例涉及机器人控制领域，更具体地说，涉及一种机器人工具负载质心辨识方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

工业机器人已成为工业自动化过程中提升生产效率和生产线柔性的不可或缺的工具。随着质量标准和应用场景的扩展，对工业机器人的性能提出了越来越高的要求。在实际应用中，工业机器人动作结构由两部分构成：机器人本体和连接在机器人末端的工具负载。在工业机器人领域，一般未关注或只关注机器人本体的动力学影响，忽略工具负载动力学因素的影响，但随着高负载-惯量比的机器人出现，工具负载的动力学因素在机器人控制中的影响也逐渐突出。

在六关节机器人中，工具负载装配到末端关节，即第六关节。由于六关节机器人的各个关节具有一定柔性，因此工具负载对机器人末端精度影响较大，且不同工具负载影响不同。为补偿工具负载对机器人末端精度的影响，必须获得工具负载的质心位置参数。

为获得工具负载的质心位置，可基于工具负载的CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)图纸，并通过CAD软件计算工具负载质心坐标，然后将该质心坐标转换到机器人末端坐标系中。然而，在实际应用中，工具负载的CAD图纸不一定能够获得；并且，若要将工具负载的质心坐标转换到机器人末端坐标系，必须对机器人的各关节坐标系非常清楚，对于一般使用者来说此要求太高。

此外，还可通过以下方式获得工具负载的质心位置：首先获得机器人本体的动力学方程，并设计一段激励轨迹，先空载运行并采集各关节角度和电流；然后将工具负载装配到机器人本体，运行并采集各关节角度和电流，根据二者之差和机器人自身动力学方程，辨识出负载动力学参数(含工具负载的质心位置参数)。但该方案中，机器人本体的动力学方程往往无法获得，且设计的激励轨迹可能运动范围较大，对安装在狭小空间内的机器人来说并不适合。该方案还存在操作比较麻烦的问题。

发明内容

本发明实施例针对上述通过CAD软件计算工具负载质心坐标需获得工具负载的CAD图纸，且对使用者要求较高，以及通过动力学方程获得工具负载质心坐标需动力学方程、操作麻烦、不适合安装在狭小空间内的机器人的问题，提供一种机器人工具负载质心辨识方法、系统、设备及存储介质。

本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种机器人工具负载质心辨识方法，用于获取装配到机器人的末端关节的工具负载的质心位置，所述方法包括：

获取所述机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组，所述第一参数组包括所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

获取所述机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组，所述第二参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

获取所述机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组，所述第三参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的空载力矩；

根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组按照预设策略计算得到所述工具负载的质心位置。

优选地，所述第一方式为：所述末端关节以零位为起始点，按第一转速分别正向旋转和反向旋转第一角度，且所述机器人的其他关节保持静止；

所述第二方式为：所述次末端关节以零位为起始点，按第二转速分别正向旋转和反向旋转第二角度，且所述机器人的其他关节保持静止；

所述第三方式为：所述次末端关节以零位为起始点，按第三转速分别正向旋转和反向旋转第三角度，且所述机器人的其他关节保持静止。

优选地，所述第一转速小于或等于所述末端关节最大转速的5％；所述第二转速和第三转速分别小于或等于所述次末端关节最大转速的5％。

优选地，所述获取所述机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组，包括：

采样所述末端关节在带载转动过程中的关节角度以及驱动所述末端关节转动的电机的电流；

根据所述末端关节在带载转动过程中的关节角度以及驱动所述末端关节转动的电机的电流，计算所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩，所述第一参数组包括所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述获取所述机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组，包括：

采样所述次末端关节在带载转动过程中的关节角度以及驱动所述次末端关节转动的电机的电流；

根据所述次末端关节在带载转动过程中的关节角度以及驱动所述次末端关节转动的电机的电流，计算所述次末端关节在多个关节角度处的带载力矩，所述第二参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述获取所述机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组，包括：

采样所述次末端关节在空载转动过程中的关节角度以及驱动所述次末端关节转动的电机的电流；

根据所述次末端关节在空载转动过程中的关节角度以及驱动所述次末端关节转动的电机的电流，计算所述次末端关节在多个关节角度处的空载力矩，所述第三参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的空载力矩。

优选地，所述第一参数组包括所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组按照预设策略计算得到所述工具负载的质心位置，包括：

使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的X轴坐标C_x和Y轴坐标C_y：

m×g×C_x×sin(θ_n)+C_y×cos(θ_n)＝-τ_n

其中，m为所述工具负载的质量，g为重力加速度，θ_n为末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n为与末端关节在对应关节角度处的带载力矩；

所述根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组获得所述工具负载的质心位置，包括：

使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的Z轴坐标Cz：

m×g×cos(θ_n-1)×(C_z+d_n-1)-m×g×C_x×cos(θ_n-1)

＝τ_n-1-K×cos(θ_n-1)

其中，θ_n-1为次末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n-1为与次末端关节在带载转动时的关节角度对应的带载力矩，d_n-1为末端关节、次末端关节以及次末端关节的前一关节的Z坐标轴的交点至所述工具负载的安装面的距离；

K＝m_n×g×C_z(n-1)，且m_n为末端关节在空载时的转动惯量，C_z(n-1)为末端关节的质心在次末端关节坐标系中的Z轴坐标，且所述K可使用最小二乘法并基于以下计算式计算获得：

m_n×g×C_z(n-1)×cos(θ_(n-1)a)＝τ_(n-1)a

其中，θ_(n-1)a为次末端关节在空载转动时的关节角度，τ_(n-1)a为与次末端关节在空载转动时的关节角度对应的空载力矩。

本发明实施例还提供一种机器人工具负载质心辨识系统，用于获取装配到机器人的末端关节的工具负载的质心位置，所述系统包括第一参数获取单元、第二参数获取单元、第三参数获取单元以及质心位置获取单元，其中：

所述第一参数获取单元，用于获取所述机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组，所述第一参数组包括所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述第二参数获取单元，用于获取所述机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组，所述第二参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述第三参数获取单元，用于获取所述机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组，所述第三参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的空载力矩；

所述质心位置获取单元，用于根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组获得所述工具负载的质心位置。

优选地，所述第一方式为：所述末端关节以零位为起始点，按第一转速分别正向旋转和反向旋转第一角度，且所述机器人的其他关节保持静止；

所述第二方式为：所述次末端关节以零位为起始点，按第二转速分别正向旋转和反向旋转第二角度，且所述机器人的其他关节保持静止；

所述第三方式为：所述次末端关节以零位为起始点，按第三转速分别正向旋转和反向旋转第三角度，且所述机器人的其他关节保持静止。

优选地，所述质心位置获取单元使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的X轴坐标C_x和Y轴坐标C_y：

m×g×C_x×sin(θ_n)+C_y×cos(θ_n)＝-τ_n

其中，m为所述工具负载的质量，g为重力加速度，θ_n为末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n为与末端关节在对应关节角度处的带载力矩；且

所述质心位置获取单元使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的Z轴坐标Cz：

m×g×cos(θ_n-1)×(C_z+d_n-1)-m×g×C_x×cos(θ_n-1)

＝τ_n-1-K×cos(θ_n-1)

其中，θ_n-1为次末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n-1为与次末端关节在带载转动时的关节角度对应的带载力矩，d_n-1为末端关节、次末端关节以及次末端关节的前一关节的Z坐标轴的交点至所述工具负载的安装面的距离；

K＝m_n×g×C_z(n-1)，且m_n为末端关节在空载时的转动惯量，C_z(n-1)为末端关节的质心在次末端关节坐标系中的Z轴坐标，且所述K可使用最小二乘法并基于以下计算式计算获得：

m_n×g×C_z(n-1)×cos(θ_(n-1)a)＝τ_(n-1)a

其中，θ_(n-1)a为次末端关节在空载转动时的关节角度，τ_(n-1)a为与次末端关节在空载转动时的关节角度对应的空载力矩。

本发明实施例还提供一种机器人工具负载质心辨识设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述机器人工具负载质心辨识方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述机器人工具负载质心辨识方法的步骤。

本发明实施例的机器人工具负载质心辨识方法、系统、设备及存储介质，通过采集机器人本体与工具负载相邻两个关节的转动参数，并结合工具负载的质量，获取工具负载的质心位置，无需工具负载的CAD图纸，也无需机器人本体的动力学方程，大大简化了工具负载的质心位置的辨识操作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法中工具负载装配到机器人的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法中获取第一参数组的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法中获取第二参数组的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法中获取第三参数组的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识系统的示意图；

图7是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识设备的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法的流程示意图，该机器人工具负载质心辨识方法可应用于装配有工具负载的工业机器人，例如六关节机器人等，并可通过该方法获取装配到机器人的末端关节的工具负载的质心位置。上述机器人的每一关节可包括电机及装配到电机输出轴的减速器等。本实施例的方法可集成到机器人控制器中，且该方法具体包括：

步骤S11：获取机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组。该步骤可以结合机器人控制器实现，即通过机器人控制器控制机器人的末端关节22按第一方式带载转动，并在带载转动过程中获取第一参数组，上述第一参数组包括末端关节在多个关节角度处的带载力矩。

结合图2所示，本实施例中的带载是指工具负载21装配到机器人(即机器人本体)。具体地，上述工具负载21可装配到机器人的末端关节22，并由机器人的末端关节22直接驱动运行(即以末端关节22的旋转轴为中心旋转)；上述末端关节22由机器人的次末端关节23驱动运行(即以次末端关节23的旋转轴为中心旋转)。当本实施例的方法应用于六关节机器人时，上述末端关节22为六关节机器人的第六关节，次末端关节则为六关节机器人的第五关节。

上述第一方式具体可以为：机器人的末端关节22(即六关节机器人的第六关节)以零位为起始点，按第一转速分别正向旋转和反向旋转第一角度，且六关节机器人的其他关节保持静止。

上述第一转速和第一角度可根据需要调整，该第一转速越小，工具负载的质心位置的辨识精度越高；第一角度越大，具负载的质心位置的辨识精度越高。为达到较佳的辨识精度，第一转速最好小于或等于末端关节最大转速的5％，例如400转/分钟以下；第一角度最好不小于90°。

并且，为简化运算，在获取第一参数组的过程中，次末端关节23也处于零位，从而在该步骤中，末端关节22的中心轴保持水平。当然，在实际应用中，上述第一方式也可根据机器人的结构及具体的算法进行调整。

步骤S12：获取机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组。该步骤同样可结合机器人控制器实现，即通过机器人控制器控制机器人的次末端关节23按第二方式带载转动，并在带载(即工具负载装配到机器人的末端关节)转动过程中获取第二参数组，上述第二参数组包括次末端关节在多个关节角度处的带载力矩。

上述第二方式具体可以为：机器人的次末端关节23(即六关节机器人的第五关节)以零位(在次末端关节23的零位，末端关节22的中心轴水平设置)为起始点，按第二转速分别正向旋转和反向旋转第二角度，且机器人的其他关节保持静止。

上述第二转速和第二角度可根据需要调整，该第二转速越小，工具负载的质心位置的辨识精度越高；第二角度越大，具负载的质心位置的辨识精度越高。为达到较佳的辨识精度，第二转速最好小于或等于次末端关节最大转速的5％，例如400转/分钟以下；第二角度最好不小于90°。当然，在实际应用中，上述第二方式也可根据机器人的结构及具体的算法进行调整。

步骤S13：获取机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组。该步骤同样可结合机器人控制器实现，即通过机器人控制器控制机器人的次末端关节23按第三方式带载转动，并在空载(即机器人的末端关节未装配工具负载)转动过程中获取第三参数组，该第三参数组包括次末端关节在多个关节角度处的空载力矩。

上述第三方式为：机器人的次末端关节23(即六关节机器人的第五关节)以零位(在次末端关节23的零位，末端关节22的中心轴水平设置)为起始点，按第三转速分别正向旋转和反向旋转第三角度，且机器人的其他关节保持静止。

上述第三转速和第三角度可根据需要调整，该第三转速越小，工具负载的质心位置的辨识精度越高；第三角度越大，具负载的质心位置的辨识精度越高。为达到较佳的辨识精度，第三转速最好小于或等于次末端关节最大转速的5％，例如400转/分钟以下；第三角度最好不小于90°。当然，在实际应用中，上述第三方式也可根据机器人的结构及具体的算法进行调整。

在实际应用中，上述第一转速、第二转速以及第三转速可相等，第一角度、第二角度以及第三角度可相等。

步骤S14：根据工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组获得工具负载的质心位置。

具体地，上述第一参数组包括末端关节22在多个关节角度处的带载力矩，相应地，该步骤可包括：使用最小二乘法并基于以下计算式(1)获得工具负载的质心在机器人末端坐标系中的X轴坐标C_x和Y轴坐标C_y：

m×g×C_x×sin(θ_n)+C_y×cos(θ_n)＝-τ_n (1)

其中，m为工具负载的质量，g为重力加速度，θ_n为末端关节22在带载转动时的关节角度，τ_n为与末端关节22在对应关节角度处的带载力矩。

此外，第二参数组具体可包括次末端关节23在多个关节角度处的带载力矩，第三参数组包括次末端关节23在多个关节角度处的空载力矩，相应地，该步骤可使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的Z轴坐标Cz：

m×g×cos(θ_n-1)×(C_z+d_n-1)-m×g×C_x×cos(θ_n-1)

＝τ_n-1-K×cos(θ_n-1) (2)

其中，θ_n-1为次末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n-1为与次末端关节在带载转动时的关节角度对应的带载力矩，d_n-1为末端关节、次末端关节以及次末端关节的前一关节的Z坐标轴的交点至所述工具负载的安装面的距离；

K＝m_n×g×C_z(n-1)，且m_n为末端关节在空载时的转动惯量，C_z(n-1)为末端关节的质心在次末端关节坐标系中的Z轴坐标，且所述K可使用最小二乘法并基于以下计算式计算获得：

m_n×g×C_z(n-1)×cos(θ_(n-1)a)＝τ_(n-1)a(3)

其中，θ_(n-1)a为次末端关节在空载转动时的关节角度，τ_(n-1)a为与次末端关节在空载转动时的关节角度对应的空载力矩。

上述机器人工具负载质心辨识方法，通过采集机器人本体与工具负载相邻两个关节(即末端关节22和次末端关节23)的转动参数，并结合工具负载的质量，获取工具负载的质心位置，无需工具负载的CAD图纸，也无需机器人本体的动力学方程，大大简化了工具负载的质心位置的辨识操作。

如图3所示，是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法中获取第一参数组的流程示意图。具体地，可通过以下步骤获取第一参数组：

步骤S111：采样末端关节22在按第一方式带载转动过程中的关节角度以及驱动末端关节22转动的电机的电流。

当第一方式为：机器人的末端关节22(例如六关节机器人的第六关节)以零位为起始点，按第一转速分别正向旋转和反向旋转第一角度时，该步骤采样获得的驱动末端关节22转动的电机的电流可以记为i_n ⁺和i_n ^-，其中i_n ⁺为末端关节22正向转动时的三相等效电流，i_n ^-为末端关节22反向转动时的三相等效电流。该步骤可采样获得多个关节角度θ_n以及对应的电流i_n ⁺、i_n ^-。

步骤S112：根据末端关节22在带载转动过程中的关节角度以及驱动末端关节22转动的电机的电流，计算末端关节22在多个关节角度处的带载力矩，第一参数组包括末端关节22在多个关节角度处的带载力矩。

具体地，对于末端关节22的每一关节角度处的带载力矩τ_n，可通过以下计算式(4)计算：

其中K_t1为末端关节22的转矩系数。在获取末端关节22的关节角度对应的带载力矩τ_n时，末端关节22相对零位正向和反向旋转相同的角度，视为同一关节角度。

如图4所示，是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法中获取第二参数组的流程示意图。具体地，可通过以下步骤获取第二参数组：

步骤S121：采样次末端关节23在按第二方式带载转动过程中的关节角度以及驱动次末端关节23转动的电机的电流。

当第二方式为：机器人的次末端关节23(即六关节机器人的第五关节)以零位为起始点，按第二转速分别正向旋转和反向旋转第二角度时，该步骤采样获得的驱动次末端关节23转动的电机的电流可以记为i_n-1 ⁺和i_n-1 ^-，其中i_n-1 ⁺为次末端关节23正向转动时的三相等效电流，i_n-1 ^-为次末端关节23反向转动时的三相等效电流。该步骤可采样获得多个关节角度θ_n-1以及对应的电流i_n-1 ⁺、i_n-1 ^-。

步骤S122：根据次末端关节23在带载转动过程中的关节角度以及驱动次末端关节23转动的电机的电流，计算次末端关节23在多个关节角度处的带载力矩，第二参数组包括次末端关节23在多个关节角度处的带载力矩。

具体地，可通过以下计算式(5)计算次末端关节23的带载力矩τ_n-1：

其中K_t2为次末端关节23的转矩系数。在获取次末端关节23的关节角度对应的带载力矩τ_n-1时，次末端关节23相对零位正向和反向旋转相同的角度，视为同一关节角度。

如图5所示，是本发明实施例提供的机器人工具负载质心辨识方法中获取第三参数组的流程示意图。具体地，可通过以下步骤获取第三参数组：

步骤S121：采样次末端关节23在按第三方式空载转动过程中的关节角度以及驱动次末端关节23转动的电机的电流。

当第三方式为：机器人的次末端关节23(即六关节机器人的第五关节)以零位为起始点，按第二转速分别正向旋转和反向旋转第二角度时，该步骤采样获得的驱动次末端关节23转动的电机的电流可以记为i_(n-1)a ⁺和i_(n-1)a ^-，其中i_(n-1)a ⁺为次末端关节23正向转动时的三相等效电流，i_(n-1)a ^-为次末端关节23反向转动时的三相等效电流。该步骤可采样获得多个关节角度θ_(n-1)a以及对应的电流i_(n-1)a ⁺、i_(n-1)a ^-。

步骤S122：根据次末端关节23在带载转动过程中的关节角度以及驱动次末端关节23转动的电机的电流，计算次末端关节23在多个关节角度处的空载力矩，第三参数组包括次末端关节23在多个关节角度处的空载力矩。

具体地，可通过以下计算式(6)计算次末端关节23的带载力矩τ_(n-1)：

在获取次末端关节23的关节角度对应的空载力矩τ_(n-1)a时，次末端关节23相对零位正向和反向旋转相同的角度，视为同一关节角度。

如图6所示，本发明实施例还提供一种机器人工具负载质心辨识系统，该系统可与机器人控制器相结合，并用于获取装配到机器人的末端关节的工具负载的质心位置。本实施例中的带载是指工具负载装配到机器人(即机器人本体)，空载是指机器人未装配工具负载。具体地，工具负载可装配到机器人的末端关节，并由机器人的末端关节直接驱动运行(即以末端关节的旋转轴为中心旋转)；上述末端关节由机器人的次末端关节驱动运行(即以次末端关节的旋转轴为中心旋转)。当本实施例的系统应用于六关节机器人时，上述末端关节22为六关节机器人的第六关节，次末端关节则为六关节机器人的第五关节。

本实施例的机器人工具负载质心辨识系统包括第一参数获取单元61、第二参数获取单元62、第三参数获取单元63以及质心位置获取单元64，上述第一参数获取单元61、第二参数获取单元62、第三参数获取单元63以及质心位置获取单元64可结合运行于机器人控制器中的软件构成，其中：

第一参数获取单元61用于获取机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组。第一参数获取单元61具体可采样末端关节在按第一方式带载转动过程中的关节角度以及驱动末端关节转动的电机的电流，并根据上述计算式(3)计算末端关节在多个关节角度处的带载力矩，第一参数组包括末端关节在多个关节角度处的带载力矩。

第二参数获取单元62用于获取机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组。第二参数获取单元62具体可采样次末端关节在按第二方式带载转动过程中的关节角度以及驱动次末端关节转动的电机的电流，并根据上述计算式(4)计算次末端关节在多个关节角度处的带载力矩，第二参数组包括次末端关节在多个关节角度处的带载力矩。

第三参数获取单元63用于获取机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组。第三参数获取单元63具体可采样次末端关节在按第三方式空载转动过程中的关节角度以及驱动次末端关节转动的电机的电流，并根据上述计算式(5)计算次末端关节在多个关节角度处的空载力矩，第三参数组包括次末端关节在多个关节角度处的空载力矩。

上述机器人工具负载质心辨识系统还可包括转动控制单元，该转动控制单元同样可结合机器人控制器中的软件构成，用于控制机器人的末端关节按第一方式带载转动、控制机器人的次末端关节按第二方式带载转动以及控制机器人的次末端关节按第三方式空载转动。具体地，上述第一方式具体可以为：机器人的末端关节(即六关节机器人的第六关节)以零位为起始点，按第一转速分别正向旋转和反向旋转第一角度，且六关节机器人的其他关节保持静止。上述第二方式具体可以为：机器人的次末端关节(即六关节机器人的第五关节)以零位(在次末端关节的零位，末端关节的中心轴水平设置)为起始点，按第二转速分别正向旋转和反向旋转第二角度，且机器人的其他关节保持静止。上述第三方式为：机器人的次末端关节(即六关节机器人的第五关节)以零位(在次末端关节的零位，末端关节的中心轴水平设置)为起始点，按第三转速分别正向旋转和反向旋转第三角度，且机器人的其他关节保持静止。

上述第一转速、第二转速、第三转速、第一角度、第二角度和第三角度可根据需要调整，该第一转速、第二转速和第三转速越小，工具负载的质心位置的辨识精度越高；第一角度、第二角度和第三角度越大，具负载的质心位置的辨识精度越高。为达到较佳的辨识精度，第一转速最好小于或等于末端关节最大转速的5％，第二转速和第三转速最好小于或等于次末端关节最大转速的5％，例如400转/分钟以下；第一角度、第二角度和第三角度最好不小于90°。

质心位置获取单元64用于根据工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组获得所述工具负载的质心位置。

具体地，上述质心位置获取单元64使用最小二乘法并基于计算式(1)、(2)获得工具负载的质心在机器人末端坐标系中的X轴坐标C_x、Y轴坐标C_y以及Z轴坐标C_z。

本实施例中的机器人工具负载质心辨识系统与上述图1-5对应实施例中的机器人工具负载质心辨识方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本系统实施例中均对应适用，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种机器人工具负载质心辨识设备7，该设备具体可由机器人控制器构成，如图7所示，该机器人工具负载质心辨识设备7包括存储器71和处理器72，存储器71中存储有可在处理器72执行的计算机程序，且处理器72执行计算机程序时实现如上所述机器人工具负载质心辨识方法的步骤。

本实施例中的机器人工具负载质心辨识设备7与上述图1-5对应实施例中的机器人工具负载质心辨识方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述机器人工具负载质心辨识方法的步骤。

本实施例中的计算机可读存储介质与上述图1-5对应实施例中的机器人工具负载质心辨识方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理器中，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。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的机器人工具负载质心辨识方法、系统及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的机器人工具负载质心辨识系统实施例仅仅是示意性的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理器中，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。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或界面切换设备、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人工具负载质心辨识方法，用于获取装配到机器人的末端关节的工具负载的质心位置，其特征在于，所述方法包括：

获取所述机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组，所述第一参数组包括所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

获取所述机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组，所述第二参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

获取所述机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组，所述第三参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的空载力矩；

根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组按照预设策略计算得到所述工具负载的质心位置；

所述第一参数组包括所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组按照预设策略计算得到所述工具负载的质心位置，包括：

使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的X轴坐标C_x和Y轴坐标C_y：

m×g×C_x×sin(θ_n)+C_y×cos(θ_n)＝-τ_n

其中，m为所述工具负载的质量，g为重力加速度，θ_n为末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n为与末端关节在对应关节角度处的带载力矩；

所述根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组获得所述工具负载的质心位置，包括：

使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的Z轴坐标Cz：

m×g×cos(θ_n-1)×(C_z+d_n-1)-m×g×C_x×cos(θ_n-1)

＝τ_n-1-K×cos(θ_n-1)

其中，θ_n-1为次末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n-1为与次末端关节在带载转动时的关节角度对应的带载力矩，d_n-1为末端关节、次末端关节以及次末端关节的前一关节的Z坐标轴的交点至所述工具负载的安装面的距离；

K＝m_n×g×C_z(n-1)，且m_n为末端关节在空载时的转动惯量，C_z(n-1)为末端关节的质心在次末端关节坐标系中的Z轴坐标，且所述K使用最小二乘法并基于以下计算式计算获得：

m_n×g×C_z(n-1)×cos(θ_(n-1)a)＝τ_(n-1)a

其中，θ_(n-1)a为次末端关节在空载转动时的关节角度，τ_(n-1)a为与次末端关节在空载转动时的关节角度对应的空载力矩。

2.根据权利要求1所述的机器人工具负载质心辨识方法，其特征在于，

所述第一方式为：所述末端关节以零位为起始点，按第一转速分别正向旋转和反向旋转第一角度，且所述机器人的其他关节保持静止；

所述第二方式为：所述次末端关节以零位为起始点，按第二转速分别正向旋转和反向旋转第二角度，且所述机器人的其他关节保持静止；

所述第三方式为：所述次末端关节以零位为起始点，按第三转速分别正向旋转和反向旋转第三角度，且所述机器人的其他关节保持静止。

3.根据权利要求2所述的机器人工具负载质心辨识方法，其特征在于，所述第一转速小于或等于所述末端关节的最大转速的5％；所述第二转速和第三转速分别小于或等于所述次末端关节的最大转速的5％。

4.根据权利要求1或2所述的机器人工具负载质心辨识方法，其特征在于，所述获取所述机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组，包括：

采样所述末端关节在带载转动过程中的关节角度以及驱动所述末端关节转动的电机的电流；

根据所述末端关节在带载转动过程中的关节角度以及驱动所述末端关节转动的电机的电流，计算所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩，所述第一参数组包括所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述获取所述机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组，包括：

采样所述次末端关节在带载转动过程中的关节角度以及驱动所述次末端关节转动的电机的电流；

根据所述次末端关节在带载转动过程中的关节角度以及驱动所述次末端关节转动的电机的电流，计算所述次末端关节在多个关节角度处的带载力矩，所述第二参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述获取所述机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组，包括：

采样所述次末端关节在空载转动过程中的关节角度以及驱动所述次末端关节转动的电机的电流；

根据所述次末端关节在空载转动过程中的关节角度以及驱动所述次末端关节转动的电机的电流，计算所述次末端关节在多个关节角度处的空载力矩，所述第三参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的空载力矩。

5.一种机器人工具负载质心辨识系统，用于获取装配到机器人的末端关节的工具负载的质心位置，其特征在于，所述系统包括第一参数获取单元、第二参数获取单元、第三参数获取单元以及质心位置获取单元，其中：

所述第一参数获取单元，用于获取所述机器人的末端关节在按第一方式带载转动过程中的第一参数组，所述第一参数组包括所述末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述第二参数获取单元，用于获取所述机器人的次末端关节在按第二方式带载转动过程中的第二参数组，所述第二参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的带载力矩；

所述第三参数获取单元，用于获取所述机器人的次末端关节在按第三方式空载转动过程中的第三参数组，所述第三参数组包括所述次末端关节在多个关节角度处的空载力矩；

所述质心位置获取单元，用于根据所述工具负载的质量、第一参数组、第二参数组以及第三参数组获得所述工具负载的质心位置；

所述质心位置获取单元使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的X轴坐标C_x和Y轴坐标C_y：

m×g×C_x×sin(θ_n)+C_y×cos(θ_n)＝-τ_n

其中，m为所述工具负载的质量，g为重力加速度，θ_n为末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n为与末端关节在对应关节角度处的带载力矩；且

所述质心位置获取单元使用最小二乘法并基于以下计算式获得所述工具负载的质心在机器人末端坐标系中的Z轴坐标Cz：

m×g×cos(θ_n-1)×(C_z+d_n-1)-m×g×C_x×cos(θ_n-1)

＝τ_n-1-K×cos(θ_n-1)

其中，θ_n-1为次末端关节在带载转动时的关节角度，τ_n-1为与次末端关节在带载转动时的关节角度对应的带载力矩，d_n-1为末端关节、次末端关节以及次末端关节的前一关节的Z坐标轴的交点至所述工具负载的安装面的距离；

K＝m_n×g×C_z(n-1)，且m_n为末端关节在空载时的转动惯量，C_z(n-1)为末端关节的质心在次末端关节坐标系中的Z轴坐标，且所述K使用最小二乘法并基于以下计算式计算获得：

m_n×g×C_z(n-1)×cos(θ_(n-1)a)＝τ_(n-1)a

其中，θ_(n-1)a为次末端关节在空载转动时的关节角度，τ_(n-1)a为与次末端关节在空载转动时的关节角度对应的空载力矩。

6.根据权利要求5所述的机器人工具负载质心辨识系统，其特征在于，

所述第一方式为：所述末端关节以零位为起始点，按第一转速分别正向旋转和反向旋转第一角度，且所述机器人的其他关节保持静止；

所述第二方式为：所述次末端关节以零位为起始点，按第二转速分别正向旋转和反向旋转第二角度，且所述机器人的其他关节保持静止；

所述第三方式为：所述次末端关节以零位为起始点，按第三转速分别正向旋转和反向旋转第三角度，且所述机器人的其他关节保持静止。

7.一种机器人工具负载质心辨识设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4中任一项所述机器人工具负载质心辨识方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至4中任一项所述机器人工具负载质心辨识方法的步骤。