基于触觉的协作机器人安全技术研究

摘要

随着技术的日趋成熟，机器人在生产制造、医疗服务等人类日常生活中发挥着越来越重要的作用，人机交互越来越频繁。由于传统的工业机器人质量惯性大且缺乏安全保护措施，在工作过程中需要用安全护栏隔离，无法满足柔性制造生产需求及交互安全要求，新一代协作型机器人问世并逐渐引起人们的重视。当协作机器人与人在同一生产线协同工作时，不可避免会发生碰撞，对人造成伤害，因而人机交互安全性问题亟待解决。本文以三自由度轻型机械臂SoftArmⅢ为研究对象，对协作机器人的安全技术展开研究，主要研究内容为协作机器人的碰撞检测及安全控制，研究目标为能够实时检测到机械臂运动过程中发生的碰撞，并能识别出碰撞力的类别、位置和方向，根据反馈的碰撞力信息对机械臂进行安全控制，提高人机交互的安全性。论文主要工作如下:
　　为实现碰撞信息的检测，采用分层结构设计了一款可穿戴式触觉传感装置。对触觉传感装置各触觉单元进行静态标定;基于最小二乘法的思想得到各触觉单元数学模型;并进行了曲面和平面状态下的触觉阵列的接触物识别能力测试，验证了触觉传感装置的有效性。
　　将触觉传感装置应用在实验室样机上，结合机械臂建立基准触觉单元运动学模型，用D-H法求解出基准触觉单元在机械臂基坐标系中的具体位姿;以基准触觉单元为基准，通过坐标变换得到其余各触觉单元的位姿及正压力方向信息。在此理论基础上，提出了基于触觉的碰撞力识别算法及三种安全控制策略，以便于碰撞发生后对机械臂进行安全控制。
　　搭建机械臂安全控制实验平台，编程实现触觉信息反馈的上位机软件及下位机的运动控制软件，实现碰撞力类型识别算法和安全控制算法。
　　针对机械臂运动过程中，遭受钝击力和尖锐力两种不同类型碰撞力的情况，分别进行紧急停止、原路径返回、沿碰撞力方向返回三种安全控制实验。实验表明，碰撞力识别算法可以识别出碰撞力类别，提出的三种安全控制策略均能减小碰撞力。对不同碰撞力的三组实验结果进行了对比分析，结果表明沿碰撞力方向避让的响应措施可以更快的离开碰撞点，具有更好的避障效果。机械臂碰撞安全实验验证了本文提出的碰撞力识别算法和安全控制策略的可行性和合理性，可以有效降低碰撞对人的伤害程度，提高了人机交互的安全性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1课题研究背景

1．2课题研究意义

1．3协作机器人安全技术应用及研究现状

1．3．1协作机器人应用现状

1．3．2协作机器人安全技术研究现状

1．4主要内容及章节安排

2可穿戴式触觉传感装置设计

2．1 触觉传感装置结构设计

2．1．1传感器选择

2．2．2触觉传感装置本体设计

2．2信息采集系统设计

2．3触觉单元标定

2．3．1标定原理

2．3．2标定平台的设计及标定

2．4触觉传感单元的数学建模

2．4．1 数据拟合

2．4．2数学模型分析

2．5触觉传感装置的性能测试

2．5．1测试目的

2．5．2测试设备

2．5．3测试过程及结果

2．6本章小结

3基于触觉的安全控制方法研究

3．1 机械臂触觉装置运动学分析

3．1．1触觉单元位置正运动分析

3．1．2触觉单元位置逆运动学分析

3．1．3触觉单元正压力方向分析

3．2基于触觉的碰撞力识别算法

3．2．1触觉单元碰撞力类型识别

3．2．2触觉单元碰撞力位置

3．2．3触觉单元碰撞力方向

3．3安全控制策略

3．3．1基于触觉的紧急停止策略

3．3．2基于触觉的原路径返回策略

3．3．3基于触觉的碰撞力方向避让策略

3．4本章小结

4机械臂碰撞安全技术实验平台

4．1 实验样机

4．2实验平台控制系统方案设计

4．3控制系统硬件

4．3．1主控硬件

4．3．2驱动舵机

4．3．3传感器

4．34通信模块

4．3．5动力源

4．4实验平台控制系统搭建

4．4．1微控器STM 32开发板端口定义

4．4．2控制系统结构

4．5实验平台控制系统软件设计

4．5．1上位机软件设计

4．5．2下位机软件设计

4．5．3上下位机的通信

4．6本章小结

5机械臂安全控制实验研究

5．1机械臂运动轨迹规划

5．2安全控制实验设计

5．2．1钝击力碰撞实验

5．2．2尖锐力碰撞实验

5．3本章小结

6总结与展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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