CN114800620A - 一种无力传感器的机器人外力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无力传感器的机器人外力检测方法，包括以下步骤：步骤S1：建立所述的机器人的动力学方程；步骤S2：求取机器人的广义动量及其微分公式；步骤S3：建立新型二阶扩张状态观测器；步骤S4：确定关节等效控制力矩；步骤S5：设计频率相关的摩擦力测量方法；步骤S6：构建非线性摩擦模型。本发明的无力传感器的机器人外力检测方法，基于新型二阶扩张状态观测器与关节摩擦补偿的机器人外力检测方法，利用机器人广义动量与扩张状态观测方法设计了新型二阶扩张状态观测器，通过观测器内部的扰动变量对机器人所受外力作为系统扰动进行观测，实现机器人外力检测。

Description

一种无力传感器的机器人外力检测方法

技术领域

本发明涉及机器人安全控制领域，具体涉及一种无力传感器的机器人外力检测方法。

背景技术

机器人在工业生产、服务、医疗等领域应用不断增加，通过封闭机器人工作空间以实现人机隔离、保证人机安全的方法，已经不符合人机共融技术的新要求。机器人协作在各个生产领域广泛应用，机器人面临复杂且不确定的工作环境，机器人存在与人或环境发生碰撞的可能性。为确保人机安全，碰撞检测成为协作机器人不可或缺的功能模块。

人与机器人共存环境下的外力检测是确保人和设备安全的基础。目前，市场上大部分机器人的关节都伺服电机驱动控制，并通过编码器进行位置反馈。机器人本身提供的这些信息，特别是关节电机电流变化信号，为实现机器人碰撞检测提供了重要基础。基于测量电流的方法实现碰撞检测，一般都是利用机器人动力学方程构建外力检测模型。由于机器人关节不可避免地存在非线性摩擦，以及加速度参数需要通过编码器位置反馈信息的二阶求导和动力学逆运算等，会产生巨大的噪声和不准，致使其抗干扰能力差、外力检测阈值设定过程较为复杂，进而可能使机器人外力检测产生误判。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种无力传感器的机器人外力检测方法，可以利用机器人本身的位置传感器和关节驱动电流实现外力检测。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种无力传感器的机器人外力检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立所述的机器人的动力学方程；

步骤S2：求取机器人的广义动量及其微分公式；

步骤S3：建立二阶扩张状态观测器；

步骤S4：确定关节等效控制力矩；

步骤S5：设计频率相关的摩擦力测量方法；

步骤S6：构建非线性摩擦模型。

作为上述技术方案的进一步改进：

上述方案中，优选地，所述步骤S2中，先推导广义动量与外部作用力的关系：

再建立基于广义动量的一阶系统：

上述方案中，优选地，所述步骤S3中，由常规的扩张状态观测方法可知，一个二阶系统的观测器至少为三阶，其扩张状态观测器可表示为：

其中，β₀₁、β₀₂、β₀₃观测器参数，e₀为观测误差，y为系统输出，z₁、z₂、z₃为系统状态估计量，Bu为系统输入变量。

利用机器人广义动量，设计新型二阶扩张状态观测器为：

其中，e为机器人系统广义动量观测误差，β₁、β₂观测器参数，

为广义动量的估计量，

为系统扰动估计量，Bu为系统输入变量。

上述方案中，优选地，所述机器人受到外部作用力的τ_e后，观测器通过系统扰动估计量在线观测得到输出信号r的表达式：

r＝[r₁…r_i,r_(i+1)…r_n]^T

式中，i＝1…n为机器人关节数，R_i为对应阈值。因此，从r₁到r_n逐个与对应阈值比较，当|r_i|＞R_i且|r_(i+1)|≤R_(i+1)时可判断第i连杆受力，并由Sign可以判断出受力的方向。

上述方案中，优选地，所述步骤S4中，采用测量电机电流的方法，算出关节等效控制力矩：

τ＝N_mK_mi_m

其中，i_m为电机的电流，K_m与电机本身电流转化为力矩的相关系数，N_m为电机到关节输出端的传动比。

上述方案中，优选地，所述步骤S5中，设计频率相关的摩擦力测量方法，列出机器人N组不同频率的正弦运动轨迹与对应速度公式，获取各关节速度与摩擦力的数据组合集。

上述方案中，优选地，所述步骤S6中，采用非线性模型摩擦模型，模型的表达式为：

其中，F_c为库伦摩擦系数，F_s静态摩擦系数，α₁、α₂和α₃为粘性摩擦系数，V_s为Stribeck速度，σ₀为与接触表面几何形状相关的参数；运用最小二乘法法对摩擦模型公式

中的参数进行离线辨识：

本发明提供的无力传感器的机器人外力检测方法，与现有技术相比有以下优点：

(1)本发明的无力传感器的机器人外力检测方法，基于新型二阶扩张状态观测器与关节摩擦补偿的机器人外力检测方法，利用机器人广义动量与扩张状态观测方法设计了新型二阶扩张状态观测器，通过观测器内部的扰动变量对机器人所受外力作为系统扰动进行观测，实现机器人外力检测。

(2)本发明的无力传感器的机器人外力检测方法，观测器中通过采集关节伺服驱动的电流信息获取等效的关节控制力矩，设计频率相关的摩擦力测量方法，准确测量关节摩擦力，并采用非线性摩擦模型对关节摩擦进行辨识与补偿，提高机器人外力检测的准确度。

(3)本发明的无力传感器的机器人外力检测方法，无需机器人关节加速度信息，避免了因获取加速度而增加成本和增大计算误差的缺点，同时也无需安装专门的力传感器，有利于在常规的工业机器人系统中推广应用。

(4)本发明的无力传感器的机器人外力检测方法，针对实际机器人容易出现运动空间受限问题，设计了频率相关的关节运动轨迹与对应运动速度的摩擦力测量方法，避免惯性与重力等对摩擦参数辨识的影响。

附图说明

图1是本发明检测方法的流程图。

图2是本发明实施例的机器人关节控制力矩传递示意图。

图3是本发明实施例机器人单关节摩擦力的测量示意图。

图4是本发明实施例机器人外力检测实验结果图。

附图标号说明：

1、连杆；2、传动机构；3、电机；4、驱动控制器；5、关节。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1至图4所示，为了详细说明本发明一种无力传感器的机器人外力检测方法，采用简单的测试结构来具体说明本发明的检测方法。如图2所示，测试结构包括驱动控制器4、电机3、传动机构2和连杆1，电机驱动传动机构，传动机构带动连杆，连杆一端与传动机构连接，另一端形成机器人的关节。

本发明的一种无力传感器的机器人外力检测方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：建立所述的机器人的动力学方程。

利用机器人三维模型或生产商提供的模型参数，也可通过参数辨识方法获取动力学模型基本参数，采用拉格朗日动力学方法，建立刚性机器人动力学方程如下：

式中，q、

分别为机器人关节的位置、速度和加速度；M(q)为惯性矩阵；

为哥氏力和离心力矩阵；G(q)为重力项；τ_F为摩擦力矩；τ为关节的控制力矩，τ_e为外部作用力。

步骤S2：求取机器人的广义动量及其微分公式。

推导广义动量与外部作用力的关系为：

建立基于广义动量的一阶系统：

步骤S3：由常规的扩张状态观测方法可知，一个二阶系统的观测器至少为三阶，其扩张状态观测器可表示为：

其中，β₀₁、β₀₂、β₀₃观测器参数，e₀为观测误差，y为系统输出，z₁、z₂、z₃为系统状态估计量，Bu为系统输入变量。

利用机器人广义动量，设计新型二阶扩张状态观测器为：

其中，e为机器人系统广义动量观测误差，β₁、β₂观测器参数，

为广义动量的估计量，

为系统扰动估计量，Bu为系统输入变量。

机器人受到外部作用力的σ_e后，观测器通过系统扰动估计量z₂在线观测得到输出信号r的表达式：

r＝[r₁…r_i,r_(i+1)…r_n]^T

式中，i＝1…n为机器人关节数，R_i为对应阈值。因此，从r₁到r_n逐个与对应阈值比较，当|r_i|＞R_i且|r_(i+1)|≤R_(i+1)时可判断第i连杆受力，并由Sign可以判断出受力的方向。

步骤S4：采用测量关节电机3电流的方法，算出关节等效控制力矩：

τ＝N_mK_mi_m

其中，i_m为电机的电流，K_m与电机本身电流转化为力矩的相关系数，N_m为电机到关节输出端的传动比。

步骤S5：如图3所示，设计频率相关的摩擦力测量方法，通过单关节独立实验，减小惯性和重力的影响，控制机器人N组不同频率的正弦运动轨迹与对应速度公式为：

式中，v(t)＝n受单位时间

约束，

Φ、V、N分别为与关节运动范围、最大速度、速度采集量相关的参数。对每一个设定速度的实验中选取实际接近该速度值

的数据组求取均值，

正反方向的摩擦力

获取各关节实际运行速度与摩擦力的数据组合集为：

上述关节实际运行速度与摩擦力数据组合集只与实际机器人运行位置的摩擦力和速度有关，不受实际机器人位置和速度控制精度的影响。

步骤S6：采用非线性模型描述关节摩擦，模型的表达式为：

其中，F_c为库伦摩擦系数，F_s静态摩擦系数，α₁、α₂和α₃为粘性摩擦系数，V_s为Stribeck速度，σ₀为与接触表面几何形状相关的参数。运用最小二乘法法对摩擦模型公式

中的参数进行离线辨识：

通过上述步骤可以辨识出机器人各关节摩擦参数。如图4所示实验结果，对机器人关节摩擦进行补偿后，可以减小外力检测的阈值，从而提高机器人外力检测的准确度。

本发明的检测方法，采用广义动量与扩张状态观测的方法，设计了新型二阶扩张状态观测器。该观测器将广义动量作为系统状态变量，当机器人受到外力作用力后，机器人系统的广义动量会实时发生变化，通过新型二阶扩张状态观测器内部的总扰动状态变量，对导致机器人系统广义动量发生变化的系统扰动(外力)进行观测，实现机器人外力检测。新型二阶扩张状态观测器采集机器人关节伺服驱动的电流信息计算获取等效控制力矩，并采用非线性摩擦模型对关节摩擦进行补偿，通过对实际机器人受限运动空间设计频率相关的摩擦力测量力方法，准确辨识非线性摩擦模型参数，减小关节摩擦对外力检测的影响，提高机器人外力检测的准确度。本发明的新型二阶扩张状态观测器不需要关节加速度信息和关节力传感器，只需获取常规机器人关节电流、位置和速度信息，其中速度信息可通过位置微分计算获取，无需对现有机器人进行大幅度改造，可以在常规的工业机器人系统是推广应用。

上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种无力传感器的机器人外力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：建立所述的机器人的动力学方程；

步骤S2：求取机器人的广义动量及其微分公式；

步骤S3：建立二阶扩张状态观测器；

步骤S4：确定关节等效控制力矩；

步骤S5：设计频率相关的摩擦力测量方法；

步骤S6：构建非线性摩擦模型。

2.根据权利要求1所述的无力传感器的机器人外力检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，先推导广义动量与外部作用力的关系：

再建立基于广义动量的一阶系统：

3.根据权利要求2所述的无力传感器的机器人外力检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，二阶扩张状态观测器为：

其中，e为机器人系统广义动量观测误差，β₁、β₂观测器参数，

为广义动量的估计量，

为系统扰动估计量，Bu为系统输入变量。

4.根据权利要求3所述的无力传感器的机器人外力检测方法，其特征在于，所述机器人受到外部作用力的τ_e后，观测器通过系统扰动估计量在线观测得到输出信号r的表达式：

r＝[r₁…r_i,r_(i+1)…r_n]^T

式中，i＝1…n为机器人关节数，R_i为对应阈值。因此，从r₁到r_n逐个与对应阈值比较，当|r_i|＞R_i且|r_(i+1)|≤R_(i+1)时可判断第i连杆受力，并由Sign可以判断出受力的方向。

5.根据权利要求1所述的无力传感器的机器人外力检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用测量电机电流的方法，算出关节等效控制力矩：

τ＝N_mK_mi_m

其中，i_m为电机的电流，K_m与电机本身电流转化为力矩的相关系数，N_m为电机到关节输出端的传动比。

6.根据权利要求5所述的无力传感器的机器人外力检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，设计频率相关的摩擦力测量方法，列出机器人N组不同频率的正弦运动轨迹与对应速度公式，获取各关节速度与摩擦力的数据组合集。

7.根据权利要求1所述的无力传感器的机器人外力检测方法，其特征在于，所述步骤S6中，采用非线性模型摩擦模型，模型的表达式为：

其中，F_c为库伦摩擦系数，F_s静态摩擦系数，α₁、α₂和α₃为粘性摩擦系数，V_s为Stribeck速度，σ₀为与接触表面几何形状相关的参数；运用最小二乘法法对摩擦模型公式

中的参数进行离线辨识：

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