CN114589694A - 一种机器人碰撞检测阈值更新方法、装置与存储介质 - Google Patents

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储昭琦
党进
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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种机器人碰撞检测阈值更新方法、装置与存储介质，方法包括：通过指令或人机交互界面的方式发送是否进行阀值更新指令；阀值更新时，通过控制器获取一系列连续控制周期内的各个关节力矩误差和实际运动状态参数s，并根据关节力矩误差情况及运动状态参数s，建立误差的上下边界的包络线拟合模型E；通过指令或人机交互界面的方式发送是否停止阀值更新指令；通过指令或人机交互界面的方式发送是否开启碰撞检测指令。本发明克服了动力学模型中参数时变性以及运动和负载条件变化等带来的动力学模型预测力矩的精度下降，预测误差边界变化等问题。

Description

一种机器人碰撞检测阈值更新方法、装置与存储介质
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为一种机器人碰撞检测阈值更新方法、装置与存储介质。
背景技术
碰撞检测技术是机器人技术领域被广泛关注的技术问题之一。当机器人于周围作业环境发生意外碰撞时，及时的停止或柔性调结可以保护设备和人员，同时也能降低机器人损伤的风险。工业机器人不同于协作机器人，通常不具备关节力矩传感器，而基于视觉、电子皮肤等的解决方案，同样要求增加额外的传感设备。因此，基于电机电流的碰撞检测方案具有很高的研究价值和广阔的应用前景。基于电机电流的碰撞检测方案，通常需要根据事先建立好的机器人动力学模型，预测机器人实际运动状态下的关节力矩，并与关节电机电流估计的实际力矩对比，当二者的误差超出设定的阈值时则视为机器人发生碰撞。
由于机器人运行环境条件的改变，如温度引起的摩擦增大，机器人引导的不同的载荷，或变化的位姿和不同的运动速度与加速度等，都会使基于机器人动力学模型的关节力矩估计精度表现出不同的品质。
在此条件下根据关节力矩预测误差设定合适的监测误差边界是非常麻烦的，且在既要尽量避免出现误报警的同时保证碰撞检测的可靠性是十分困难的。
发明内容
为了解决机器人作业过程中，由于模型不准确性及运动条件等时变因素导致的碰撞检测误差边界难以设定的问题，以及固定阈值无法在尽量避免误报警的同时保证检测的灵敏度及检测的可靠性。本发明提出了一种机器人碰撞检测阈值更新方法、装置与存储介质。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种机器人碰撞检测阈值更新方法，包括以下步骤：
(一)通过指令或人机交互界面的方式发送是否进行阀值更新指令，若是，则进行步骤(二)，若否，则进行步骤(四)；
(二)阀值更新时，通过控制器获取一系列连续控制周期内的各个关节力矩误差和实际运动状态参数s，并根据关节力矩误差情况及运动状态参数s，建立误差的上下边界的包络线拟合模型E；
(三)通过指令或人机交互界面的方式发送是否停止阀值更新指令，若是，则停止阀值更新，并将更新后的包络线拟合模型E结果存储，若否，则返回至步骤(二)；
(四)通过指令或人机交互界面的方式发送是否开启碰撞检测指令，若是，则将关节的当前运动状态参数s代入步骤(二)中的包络线拟合模型E中，计算得到此时的力矩误差的上、下边界的阀值，若否，则进行步骤(六)；
(五)将步骤(四)中得到的力矩误差的上、下边界的阀值与单个或者连续多个周期的关节力矩预测误差值进行比较，判断是否发生碰撞，若是，则停机或调整机器人柔性，并进行步骤(六)，若否，则进入下一系统周期，并返回至步骤(四)；
(六)结束。
优选地，步骤(二)中运动状态参数包括关节运动速度、加速度、位置。
优选地，步骤(三)中力矩误差的上边界的阀值为：
τth+＝E+(S)。
优选地，步骤(三)中力矩误差的下边界的阀值为：
τth-＝E-(s)。
优选地，步骤(五)中关节力矩预测误差值的获得步骤如下：
(a)通过基于动力学模型的方法估计关节力矩目标值；
(b)将估计关节力矩目标值与基于关节电流估计得到的关节力矩实际值做差得到关节力矩预测误差值。
优选地，步骤(a)中关节力矩目标值为：
Figure BDA0003530836200000021
其中，
Figure BDA0003530836200000031
分别为机器人关节的位置，速度，加速度。
优选地，步骤(b)中关节力矩预测误差值为：
τerror＝τactual-τnominal
优选地，步骤(五)中判断是否发生碰撞的判定公式为：
Figure BDA0003530836200000032
其中，τstatic为具有一定余量的静态阀值。
一种机器人碰撞检测阀值更新装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，与存储器相互连接，用于执行存储器中的计算机程序，以实现机器人碰撞检测阈值更新方法。
一种机器人碰撞检测阀值更新存储介质，用于存储计算机程序，计算机程序被执行以实现机器人碰撞检测阈值更新方法。
本发明的有益效果是：
本发明通过利用机器人在实际生产作业过程中的关节力矩误差变动与机器人当前运动状态参数的分布关联性，建立误差上下边界的估计模型，从而克服了动力学模型中参数时变性以及运动和负载条件变化等带来的动力学模型预测力矩的精度下降，预测误差边界变化等问题，无需人工手动实验调节检测阈值，根据现场实际运动状态参数和关节力矩误差数据，将自动建立误差边界的包络线模型，从而保证碰撞检测功能的适用性和阈值调整的易用性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明中方法的流程图；
图2为本发明的阈值自动更新结果示意图；
图3为本发明中装置的结构示意图；
图4为本发明中存储介质的结构示意图。
图中：1、存储器；2、处理器。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
如图1所示，一种机器人碰撞检测阈值更新方法，本方法分为两个阶段：即阈值更新阶段和碰撞检测阶段。其中，阈值更新阶段包括：
首先通过指令或人机交互界面的方式发送是否进行阀值更新指令，若否，则进行碰撞检测阶段。
若是，当阀值更新被激活时，通过控制器获取一系列连续控制周期内的各个关节力矩误差和实际运动状态参数s，并根据关节力矩误差情况及运动状态参数s，建立误差的上下边界的包络线拟合模型E。如图2所示，为通过拟合不同关节运动速度段下的关节力矩预测误差的局部上下极值，获取误差上下边界的包络线模型。
然后，通过指令或人机交互界面的方式发送是否停止阀值更新指令，若是，则停止阀值更新，并将更新后的包络线拟合模型E结果存储至如图4所示中的存储介质中。若否，则返回至上述获取过程。
其中，运动状态参数s包括关节运动速度、加速度、位置。此外，本发明中包络线拟合模型E包括但不限于一般的拟合模型(如，分段直线，高斯基函数，指数函数，傅里叶级数等)。
得到的力矩误差的上边界的阀值为：
τth+＝E+(s)；
力矩误差的下边界的阀值为：
τth-＝E-(s)。
碰撞检测阶段包括：
根据指令或者人机交互界面等发送的是否开启碰撞检测指令，如指令为开启碰撞检测，则在如图3所示的机器人碰撞检测阀值更新装置中，处理器2上将运行指定的碰撞检测程序以及阈值更新后的误差上下边界的包络线模型的实施计算。存储器1中将保存机器人预测关节力矩所依赖的动力学模型参数。在碰撞检测过程中通过关节的当前运动状态参数，尤其指的是关节运动速度，带入到所提及的误差边界包络线模型中计算得到此时的力矩误差的上下边界的预测值。
具体的，在该阶段中，机器人实际作业过程中，通过基于动力学模型的方法(如牛顿-欧拉，拉格朗日方法，广义动量等)估计关节力矩目标值：
Figure BDA0003530836200000051
其中，
Figure BDA0003530836200000052
分别为机器人关节的位置，速度，加速度。
将估计关节力矩目标值τnominal与基于关节电流估计得到的关节力矩实际值τactual做差可以获取得到关节力矩估计误差值：
τerror＝τactual-τnominal。
将单个或者连续多个周期的关节力矩预测误差与此运动状态下的阈值上下边界值进行比较，可以判断是否发生碰撞：
Figure BDA0003530836200000053
其中，τstatic为为了避免信号的噪声波动引起误触发报警设定的一定余量的静态阈值。
检测到碰撞为保护机器人及操作人员或设备，将对机器人进行紧急停止或者调整机械臂的柔性，降低安全风险。
如图3所示，一种机器人碰撞检测阀值更新装置，包括相互连接的存储器1和处理器2，其中存储器1用于存储计算机程序，计算机程序在被处理器2执行时，用于实现上述实施例中的机器人碰撞检测阈值更新方法。
如图4所示，一种机器人碰撞检测阀值更新存储介质，用于存储计算机程序，计算及程序在被处理器2执行时，用于实现上述实施例中的机器人碰撞检测阈值更新方法。
本发明通过利用机器人在实际生产作业过程中的关节力矩误差变动与机器人当前运动状态参数的分布关联性，建立误差上下边界的估计模型，从而克服了动力学模型中参数时变性以及运动和负载条件变化等带来的动力学模型预测力矩的精度下降，预测误差边界变化等问题，无需人工手动实验调节检测阈值，根据现场实际运动状态参数和关节力矩误差数据，将自动建立误差边界的包络线模型，从而保证碰撞检测功能的适用性和阈值调整的易用性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种机器人碰撞检测阈值更新方法，其特征在于：包括以下步骤：
(一)通过指令或人机交互界面的方式发送是否进行阀值更新指令，若是，则进行步骤(二)，若否，则进行步骤(四)；
(二)阀值更新时，通过控制器获取一系列连续控制周期内的各个关节力矩误差和实际运动状态参数s，并根据关节力矩误差情况及运动状态参数s，建立误差的上下边界的包络线拟合模型E；
(三)通过指令或人机交互界面的方式发送是否停止阀值更新指令，若是，则停止阀值更新，并将更新后的包络线拟合模型E结果存储，若否，则返回至步骤(二)；
(四)通过指令或人机交互界面的方式发送是否开启碰撞检测指令，若是，则将关节的当前运动状态参数s代入步骤(二)中的包络线拟合模型E中，计算得到此时的力矩误差的上、下边界的阀值，若否，则进行步骤(六)；
(五)将步骤(四)中得到的力矩误差的上、下边界的阀值与单个或者连续多个周期的关节力矩预测误差值进行比较，判断是否发生碰撞，若是，则停机或调整机器人柔性，并进行步骤(六)，若否，则进入下一系统周期，并返回至步骤(四)；
(六)结束。
2.根据权利要求1所述的一种机器人碰撞检测阈值更新方法，其特征在于：步骤(二)中运动状态参数包括关节运动速度、加速度、位置。
3.根据权利要求1所述的一种机器人碰撞检测阈值更新方法，其特征在于：步骤(三)中力矩误差的上边界的阀值为：
τth+＝E+(s)。
4.根据权利要求1所述的一种机器人碰撞检测阈值更新方法，其特征在于：步骤(三)中力矩误差的下边界的阀值为：
τth-＝E-(s)。
5.根据权利要求1所述的一种机器人碰撞检测阈值更新方法，其特征在于：步骤(五)中关节力矩预测误差值的获得步骤如下：
(a)通过基于动力学模型的方法估计关节力矩目标值；
(b)将估计关节力矩目标值与基于关节电流估计得到的关节力矩实际值做差得到关节力矩预测误差值。
6.根据权利要求5所述的一种机器人碰撞检测阈值更新方法，其特征在于：步骤(a)中关节力矩目标值为：
Figure FDA0003530836190000021
其中，q
Figure FDA0003530836190000022
分别为机器人关节的位置，速度，加速度。
7.根据权利要求5所述的一种机器人碰撞检测阈值更新方法，其特征在于：步骤(b)中关节力矩预测误差值为：
τerror＝τactual-τnominal。
8.根据权利要求7所述的一种机器人碰撞检测阈值更新方法，其特征在于：步骤(五)中判断是否发生碰撞的判定公式为：
Figure FDA0003530836190000023
其中，τstatic为具有一定余量的静态阀值。
9.一种机器人碰撞检测阀值更新装置，其特征在于：包括：
存储器(1)，用于存储计算机程序；
处理器(2)，与存储器(1)相互连接，用于执行存储器(1)中的计算机程序，以实现权利要求1至8中任一项所述的机器人碰撞检测阈值更新方法。
10.一种机器人碰撞检测阀值更新存储介质，其特征在于：用于存储计算机程序，计算机程序被执行以实现权利要求1至8中任一项所述的机器人碰撞检测阈值更新方法。
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