CN114193454A

CN114193454A - 一种碰撞响应控制方法、设备及介质

Info

Publication number: CN114193454A
Application number: CN202111674244.4A
Authority: CN
Inventors: 高萌; 刘磊; 孔德良; 陈思敏; 钟家明
Original assignee: Foshan Institute Of Intelligent Equipment Technology
Current assignee: Foshan Institute Of Intelligent Equipment Technology
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114193454B

Abstract

本发明公开了一种碰撞响应控制方法、设备及介质，方法包括：检测机器人关节是否发生碰撞；若是，则控制所述机器人关节运动，并将所述机器人关节的工作模式切换到力矩模式；其中，发生碰撞的位置为碰撞点；检测所述机器人关节是否受到外力；若否，控制所述机器人关节静止；若是，则确定施加给机器人关节的柔性阻抗力并发送到电机，以控制机器人关节根据柔性阻抗力运动；检测所述机器人关节是否回到稳态点；若否，则继续计算实现柔性阻抗力并将所述柔性阻抗力发送到所述机器人关节；若是，控制所述机器人关节静止；该方法能够使得机器人发生碰撞后具备较好的柔顺性，不会对碰撞物体会造成持续或重复性伤害，保障机器人和人身安全。

Description

一种碰撞响应控制方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种碰撞响应控制方法、设备及介质。

背景技术

随着制造业生产市场的转型，对机器人行业也提出了更多新的要求，尤其是针对中小企业的小批量柔性化生产，更多的要求不仅仅是取代人，而是与人协作共融，共同完成一些复杂个性化任务。由于人的行为具有极大的不确定性，当机器人与人共享同一空间时，很难避免无碰撞行为，在这个大背景下，探究机器人与人的安全、共存、协作问题也就是物理人机交互(PHRI)成为研究热点。碰撞控制，包括碰撞检测与碰撞响应，已成为协作类机器人必备的基础功能模块。碰撞检测即通过适当的技术手段，实时监测机器人是否与外界环境发生碰撞接触，目前常用的方法为广义动量(GMO)法，可以较为灵敏的实时监测外力，并且能够感知发生碰撞时的大小和方向。碰撞响应则是当机器人成功检测到碰撞后，需采取的某种措施或执行某种指令使得对环境及机器人自身损害程度最小，最大限度保障人和机器人自身安全。

现有的碰撞响应策略，如碰撞停止，会始终对碰撞物体产生挤压力，人员无法脱离危险。如碰撞回退，则始终属于刚性运动，发生碰撞后需要规划减速，反向加速等轨迹，响应较慢，回退运动时难以保障人员安全，很容易对其他设备或人造成二次伤害。总之，现有的碰撞响应策略，对碰撞物体会造成持续或重复性伤害，难以保障人身安全。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种碰撞响应控制方法，能够使得机器人发生碰撞后具备较好的柔顺性，不会对碰撞物体会造成持续或重复性伤害，保障机器人和人身安全。

本发明还提出一种具有上述一种碰撞响应控制方法的电子设备和存储介质。

根据本发明的第一方面实施例的一种碰撞响应控制方法，包括：

步骤S100、检测机器人关节是否发生碰撞；若是，则执行步骤S200；其中，发生碰撞的位置为碰撞点；

步骤S200、控制所述机器人关节运动，并将所述机器人关节的工作模式切换到力矩模式；

步骤S300、检测所述机器人关节是否受到外力；若是，则执行步骤S400；否则，则执行步骤S600；

步骤S400、确定施加给所述机器人关节的柔性阻抗力，将所述柔性阻抗力发送到驱动所述机器人关节的电机，以控制所述机器人关节根据所述柔性阻抗力运动；所述柔性阻抗力的方向与所受外力的方向相反；

步骤S500、检测所述机器人关节是否到稳态点；若否，则执行步骤S400；若是，则执行步骤S600；所述稳态点与所述碰撞点存在距离，所述距离为偏移距离；

步骤S600、控制所述机器人关节静止。

根据本发明实施例的一种碰撞响应控制方法，至少具有如下有益效果：机器人关节发生碰撞后，转换为力矩模式，此时机器人关节可表现为类似弹簧的柔性；具体表现为，不受外力时，在稳态点保持静止；受到外力时，由于外力会将机器人关节带离稳态点，因此会计算一个柔性阻抗力并且发送到机器人关节，机器人关节根据此柔性阻抗力来阻碍外力，具有回到稳态点的趋势，这样当机器人碰撞到外物时，就能够施加一定力推开机器人，进行友好的接触交互，保障机器人以及被碰撞的外物的安全。

根据本发明的一些实施例，在步骤S200中，所述将所述机器人关节的工作模式切换到力矩模式包括：将所述机器人关节的模型化为阻抗模型；所述阻抗模型包括惯性参数矩阵，阻尼参数矩阵和刚度参矩阵；

在步骤S400中，所述确定施加给所述机器人关节的柔性阻抗力包括：

获取所述机器人关节受到的外力、所述机器人关节的质量、所述惯性参数矩阵、所述阻尼参数矩阵、所述刚度参数矩阵、所述机器人关节实际位置、稳态点、所述机器人关节运动实际速度、所述机器人关节运动期望速度、所述机器人关节运动实际加速度以及所述机器人关节运动期望加速度；

根据所述机器人关节受到的外力、所述机器人关节的质量、所述惯性参数矩阵、所述阻尼参数矩阵、所述刚度参数矩阵、所述机器人关节实际位置、所述稳态点、所述机器人关节运动实际速度、所述机器人关节运动期望速度、所述机器人关节运动实际加速度以及所述机器人关节运动期望加速度得到柔性阻抗力。

根据本发明的一些实施例，在步骤S200中，所述控制所述机器人关节运动包括：控制所述机器人关节的运动速度减为0，停止于稳态点；在步骤S500中，所述偏移距离为0。

根据本发明的一些实施例，在步骤S200中，所述控制所述机器人关节运动包括：控制所述机器人关节的运动速度减为0；进行反向逃逸；确定所述机器人关节是否到稳态点；若是，则停止于稳态点；否则，则继续进行反向逃逸；在步骤S500中，所述偏移距离不为0。

根据本发明的一些实施例，所述偏移距离通过以下方式得到的：

获取碰撞瞬间外力斜率值；

根据所述碰撞瞬间外力斜率值，得到第一系数；

根据所述第一系数和设置的偏移距离极限值，得到所述偏移距离。

根据本发明的一些实施例，所述进行反向逃逸包括：确定反向逃逸力；将所述反向逃逸力发送到驱动所述机器人关节的电机，以施加反向逃逸力给机器人关节。

根据本发明的一些实施例，所述反向逃逸力与所述偏移距离正相关。

根据本发明的一些实施例，所述反向逃逸力与逃逸时间成反比；并且当所述逃逸时间大于或等于衰减周期，所述反向逃逸力为0且保持为0。

根据本发明的第二方面实施例的一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于执行所述存储器存储的程序，当所述处理器执行所述存储器存储的程序时，所述处理器用于执行如第一方面中任一项所述的方法。

根据本发明的第三方面实施例的一种存储介质，其特征在于，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如第一方面中任一项所述的方法。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是本发明一实施例提供的一种碰撞响应控制方法的流程图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应了解，在本发明实施例的描述中，多个(或多项)的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

如图1所示，本发明实施例提供了一种碰撞响应控制方法，包括：

步骤S100、检测机器人关节是否发生碰撞；若是，则执行步骤S200；若否，则继续检测机器人关节是否发生碰撞；其中，发生碰撞的位置为碰撞点；

步骤S200、控制机器人关节运动，并将机器人关节的工作模式切换到力矩模式；

步骤S300、检测机器人关节是否受到外力；若是，则执行步骤S400；否则，则执行步骤S600；

步骤S400、确定施加给机器人关节的柔性阻抗力，将柔性阻抗力发送到驱动机器人关节的电机，以控制机器人关节根据柔性阻抗力运动；柔性阻抗力的方向与所受外力的方向相反；

步骤S500、检测机器人关节是否到稳态点；若否，则执行步骤S400；若是，则执行步骤S600；稳态点与碰撞点存在距离，距离为偏移距离；

步骤S600、控制机器人关节静止；

需要说明的是，外力是指机器人关节所受到的外部作用力，外力不包括机器人系统的内部力和稳态力；稳态力是使得机器人保持平衡的重力和摩擦力的和；机器人包括一个或多个机器人关节。

在一实施例中，机器人关节处设置有外力观测器，在步骤S100中，外力观测器实时检测机器人关节所受的外力的大小和方向信息，并确定是否超过设定阈值；若超过指定阈值，则确定发生碰撞；否则则继续进行检测。

在一实施例中，在步骤S200中，机器人关节的工作模式包括：位置模式和力矩模式；机器人关节在正常工况下通常都是采用位置模式运动，当发生碰撞后若一直处于位置模式则机器人关节始终属于刚性状态，外界无法干预机器人关节的运动；而切换成力矩模式后，将机器人关节的模型化为阻抗模型；阻抗模型包括惯性参数矩阵，阻尼参数矩阵和刚度参矩阵；惯性参数矩阵阵表示机器人关节的虚拟惯性，阻尼矩阵表示机器人的虚拟阻尼，刚度矩阵则表示机器人虚拟刚度，这三个参数是模拟了质量-阻尼-弹簧系统；

如此，机器人关节可表现为类似弹簧的柔性，此时外界可以主动控制机器人关节的状态，从而避免被机器人关节和墙体夹紧等情况；

在步骤S400中，确定施加给机器人关节的柔性阻抗力包括：

在阻抗模型中，获取机器人关节受到的外力F_ext、机器人关节的质量m、惯性参数矩阵M_d、阻尼参数矩阵B_d、刚度参数矩阵K_d、机器人关节实际位置x、稳态点x_d、机器人关节运动实际速度

机器人关节运动期望速度

机器人关节运动实际加速度

以及机器人关节运动期望加速度

其中，稳态点是已设置的机器人关节最终停止的位置；

根据上述获取到的变量得到柔性阻抗力，具体实现过程如下：

根据上两式结合得到：

其中，F为所求的柔性阻抗力；

由上式可知，当到达稳态点时，实际速度和实际加速度为0，外力为0，柔性阻抗力F为0，当机器人关节受外力运动时，会在柔性阻抗力F的作用下返回稳态点处。由此在力矩模式下机器人关节初步具备了弹簧柔性的属性，可在一定范围内轻松拖动，并且受阻抗力F影响，随着拖动距离的增大，需要的拖动力也随之增大，此时机器人关节的运动速度受阻尼系数影响，综合阻抗模型的惯性参数矩阵、阻抗模型的阻尼参数矩阵和阻抗模型的刚度参数矩阵使得机器人关节拖动效果的软硬度可控，避免了受到碰撞力后沿着碰撞方向持续运动的问题。

在一实施例中，在步骤S200中，控制机器人关节运动包括：控制机器人关节的运动速度减为0，停止于稳态点；在步骤S500中，偏移距离为0；本实施例的碰撞点即为稳态点，机器人关节在碰撞点发生碰撞后，运动速度和运动加速度迅速降为0，停止于碰撞点，即稳态点并且在受到外力的情况下，具备回到稳态点的趋势。

在一实施例中，机器人关节在发生碰撞时会受到碰撞物体施加给机器人关节的一个反向作用力使机器人关节远离碰撞点，但在阻抗力的作用下机器人关节具有返回稳态点的趋势，也就是说可能会与碰撞物体发生二次碰撞或持续接触，因此在碰撞点和稳态点之间增加一段不为0的距离；

在步骤S200中，控制机器人关节运动包括：控制机器人关节的运动速度减为0；进行反向逃逸；确定机器人关节是否到稳态点；若是，则停止于稳态点；否则，则继续进行反向逃逸；在步骤S500中，偏移距离不为0；在碰撞点的基础上添加一段不为0的偏移距离，稳态点不等同于碰撞点；在机器人关节在碰撞点发生碰撞后，在碰撞点速度变为0，然后再进行反向逃逸的运动，逃离碰撞点并停止于离碰撞点有一段距离的稳态点，避免二次碰撞。

在一实施例中，偏移距离通过以下方式得到的：

获取碰撞瞬间外力斜率值；外力观测器计算碰撞瞬间外力斜率值；

根据碰撞瞬间外力斜率值，得到第一系数；第一系数与碰撞瞬间外力斜率值正相关；

根据第一系数和设置的偏移距离极限值，得到偏移距离；

需要说明的是，偏移距离极限值是本领域技术人员能够根据实际情况进行调整，代表了机器人关节偏移的极限距离；第一系数的取值是大于0且小于1，因此偏移距离的取值是大于0且小于偏移距离极限值；碰撞瞬间外力斜率值越大，碰撞程度越大，机器人关节进行反向逃逸的距离越大，偏移距离越大，碰撞点与稳态点相差距离越大，以此避免二次碰撞。

在一实施例中，进行反向逃逸包括：确定反向逃逸力；将反向逃逸力发送到驱动机器人关节的电机，以施加反向逃逸力给机器人关节；在机器人允许最大扭矩范围内添加瞬时反向逃逸力，提高碰撞后远离碰撞点的响应速度：

计算确定反向逃逸力的公式如下：

F_s＝N*sin(a)

其中，F_s为反向逃逸力，a为第二系数，是以一定步长增长到后始终等于π的系数，N是与偏移距离正相关的参数；

需要说明的是，反向逃逸力的取值范围需要在机器人允许最大扭矩的范围内，机器人允许最大扭矩与机器人硬件有关，具体来说就是电机的所允许的最大扭矩；上述一定步长是人为设定的，需要结合机器人控制器的周期进行设定，并且该步长还决定了反向逃逸力的衰减周期；a的初始值取值为π/2～π；

具体计算过程如下：根据衰减周期和机器人控制器控制周期，得到步频；根据步频和a的初始值，得到步长；

例如：衰减周期设定在50ms～200ms，机器人控制器控制周期为1ms下发一个指令，步频为50～200，a的初始值为π/2，需要增长π/2到π，因此步长为π/100～π/400，以π/100～π/400的步长增长至π；

还需要说明的是，N与偏移距离正相关，但与时间无关，因此反向逃逸力因第二系数而在设定的衰减周期减为0且与偏移距离正相关，机器人关节在碰撞后速度迅速降为0，由于受到碰撞物体的反作用力，因此会产生与反作用力方向相反的柔性阻抗力，在反向逃逸力、柔性阻抗力和稳态力的作用下，进行反向逃逸，反向逃逸的速度由0增长然后减小；在即将到达稳态点时，逃逸时间大于或等于衰减周期，反向逃逸力衰减为0且保持为0，在柔性阻抗力和稳态力的作用下，速度减为0，停止于稳态点；当检测到碰撞后即切换了力矩模式不需要规划减速停机，并且同时立即下发了反向逃逸力，虽然依然在惯性作用下会对碰撞物体造成挤压，但相比传统的位置模式而言，对被撞物体的挤压距离更小，降低了发生碰撞时机器人与环境的碰撞力峰值。

本发明实施例还提供了一种电子设备。该电子设备包括但不限于：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于执行存储器存储的程序，当处理器执行存储器存储的程序时，处理器用于执行上述的一种碰撞响应控制方法。

处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序，如本发明实施例描述的一种碰撞响应控制方法。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序以及指令，从而实现上述的一种碰撞响应控制方法。

存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储执行上述的一种碰撞响应控制方法。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

本发明实施例还提供了一种存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于执行上述的一种碰撞响应控制方法。

在一实施例中，该存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，例如，被上述电子设备中的一个处理器执行，可使得上述一个或多个处理器执行上述的一种碰撞响应控制方法。

以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中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，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模块来实现本实施例方案的目的。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包括计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

本文描述了本发明的实施例，包括发明人已知用于执行本发明的较佳实施例。在阅读了上述描述后，这些所述实施例的变化对本领域的技术人员将变得明显。发明人希望技术人员视情况采用此类变型，并且发明人意图以不同于如本文具体描述的方式来实践本发明的实施例。因此，经适用的法律许可，本发明的范围包括在此所附的权利要求书中叙述的主题的所有修改和等效物。此外，本发明的范围涵盖其所有可能变型中的上述元素的任意组合，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。

Claims

1.一种碰撞响应控制方法，其特征在于，包括：

步骤S600、控制所述机器人关节静止。

2.根据权利要求1所述的一种碰撞响应控制方法，其特征在于，在步骤S200中，所述将所述机器人关节的工作模式切换到力矩模式包括：将所述机器人关节的模型化为阻抗模型；所述阻抗模型包括惯性参数矩阵，阻尼参数矩阵和刚度参矩阵；

3.根据权利要求1所述的一种碰撞响应控制方法，其特征在于，在步骤S200中，所述控制所述机器人关节运动包括：控制所述机器人关节的运动速度减为0，停止于稳态点；在步骤S500中，所述偏移距离为0。

4.根据权利要求1所述的一种碰撞响应控制方法，其特征在于，在步骤S200中，所述控制所述机器人关节运动包括：控制所述机器人关节的运动速度减为0；进行反向逃逸；确定所述机器人关节是否到稳态点；若是，则停止于稳态点；否则，则继续进行反向逃逸；在步骤S500中，所述偏移距离不为0。

5.根据权利要求4所述的一种碰撞响应控制方法，其特征在于，所述偏移距离通过以下方式得到的：

获取碰撞瞬间外力斜率值；

根据所述碰撞瞬间外力斜率值，得到第一系数；

6.根据权利要求4所述的一种碰撞响应控制方法，其特征在于，所述进行反向逃逸包括：确定反向逃逸力；将所述反向逃逸力发送到驱动所述机器人关节的电机，以施加反向逃逸力给机器人关节。

7.根据权利要求6所述的一种碰撞响应控制方法，其特征在于，所述反向逃逸力与所述偏移距离正相关。

8.根据权利要求6所述的一种碰撞响应控制方法，其特征在于，所述反向逃逸力与逃逸时间成反比；并且当所述逃逸时间大于或等于衰减周期，所述反向逃逸力为0且保持为0。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于执行所述存储器存储的程序，当所述处理器执行所述存储器存储的程序时，所述处理器用于执行如权利要求1至8中任一项所述的方法。

10.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如权利要求1至8中任一项所述的方法。