面向人机协作的工业机器人外力检测研究与实现

摘要

随着《中国制造2025》规划的正式颁布，“智能制造”将成为未来制造业的发展趋势。在传统制造模式中，工业机器人被广泛用于重复性高、工作空间严格与人隔离的场景中，而伴随制造业中某些生产场景需要同时利用机器人的重复性好、人类的灵活度高的双重特征优势时，人机协作制造模式应运而生，吸引了全世界机器人技术领域学者的极大兴趣。在人机协作制造研究中，人机安全的保障问题是重中之重，及时检测人机协作中意外碰撞力进而加以控制对人机安全具有重要的意义。 本文针对提升工业机器人外力检测实时性需求，提出一种基于动力学模型的实时外力检测方法；同时，为克服静态阈值外力检测的错误预警率偏高缺陷，提出一种自适应阈值的动态外力检测算法，主要研究内容如下： （1）基于动力学模型的工业机器人外力检测研究。在机器人控制器与上位机之间实时通信基础上，建立机器人动力学线性模型，设计优化的关节激励轨迹，并通过采集实验数据实现动力学参数估计，进而将建立的动力学模型应用于工业机器人外力检测方法中，通过搭建实验平台验证，表明参数辨识结果在实验条件下具有较高准确度，并且提出的方法能实现面向人机协作的工业机器人实时外力检测功能。 （2）基于自适应阈值的工业机器人外力检测研究。为克服负载改变等静态不确定因素对残差信号的干扰，首先设计针对残差信号的高通滤波算子，此外为克服残差对机器人实时运动参数的依赖，设计一种以机器人运动参数及动态阈值过去估计值作为输入的动态阈值合成算法；在此基础上，通过设计基于自适应阈值的残差比较策略以及采用递归最小二乘法估计算法中未知参数以实时更新动态阈值，从而实现基于自适应阈值的工业机器人外力检测方法。通过搭建实验平台，设计相关实验进行验证，并与其他外力检测算法对比，表明所提出算法的性能在错误预警率等指标上有一定程度提升。 （3）工业机器人外力检测与安全控制系统设计与实现。为验证本文提出的外力检测方法的实用性，设计并实现一套工业机器人外力检测与安全控制系统，在实现动态外力检测功能的同时，设计并开发了机器人导纳控制模块以实现对受外力的机器人的安全响应控制，具体实现了机器人外力矩估计、自适应阈值外力检测、导纳控制等子模块的开发。最后，通过设计机器人外力检测和导纳控制综合实验，证实了自适应阈值外力检测方法的有效性以及依据检测的外力成功实现对机器人安全导纳控制。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景、目的及意义

1.3 相关领域国内外研究现状

1.3.1 人机协作中的安全研究现状

1.3.2 工业机器人外力检测研究现状

1.3.3 机器人动力学参数辨识研究现状

1.4 本文的主要研究内容和组织结构

1.4.1 本文研究的主要内容

1.4.2 本文结构安排

第2章 基于动力学模型的工业机器人外力检测

2.1 基于动力学模型的工业机器人外力检测框架

2.2 工业机器人动力学模型及参数辨识

2.2.1 机器人动力学建模

2.2.2 参数辨识方法与激励轨迹优化

2.2.3 实验数据采集

2.2.4 参数辨识实验结果与分析

2.3 基于动力学模型的工业机器人外力检测方法

2.3.1 基于动力学模型的外力检测的实现

2.3.2 基于动力学模型的外力检测实验与分析

2.4 本章小结

第3章 基于自适应阈值的工业机器人外力检测

3.1 自适应阈值的外力检测算法设计原理

3.1.1 工业机器人力矩残差动力学建模

3.1.2 算法设计原理分析

3.2 基于自适应阈值的外力检测算法设计

3.2.1 基于自适应阈值的外力检测系统框架

3.2.2 力矩残差高通滤波设计

3.2.3 动态阈值合成设计

3.2.4 残差比较策略设计

3.3 自适应阈值的外力检测算法实现

3.3.1 算法实现过程

3.3.2 基于自适应阈值的外力检测实验与分析

3.4 本章小结

第4章 工业机器人外力检测与安全控制系统的设计与实现

4.1 系统设计

4.1.1 系统总体设计

4.1.2 工业机器人导纳控制方法设计

4.1.3 系统运行环境描述

4.2 系统实现

4.2.1 基于动力学模型的外力矩计算模块

4.2.2 自适应阈值外力检测模块

4.2.3 机器人导纳控制模块

4.2.4 系统运行结果分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录 研究生期间的研究成果