基于扰动观测器的机械手碰撞检测与安全响应

摘要

当机械手臂与其工作环境中的物体或人体发生碰撞时,会损坏关节处的电机或给人员带来伤害,为保证人员与设备安全,设计一种外部扰动观测器对外部碰撞作用力进行估计的方法.扰动观测器基于动量守恒推导得出,当系统不受外力时观测结果指数收敛到零附近;当系统受到外力时,观测结果指数趋近于外力大小.当观测器结果及其变化率超过一定阈值时,认为外部碰撞发生.为保证手臂及碰撞对象的安全,使控制手臂远离碰撞区域,设计了机械手臂在速度和力矩控制模式下不同的安全响应控制方法.对气球以及人身体的碰撞实验表明:该方法可以在发生接触后200ms内有效地检测到碰撞的发生,并控制机械手臂以最快速度减速直至反向运动,离开碰撞区域,保证机械手臂和人员的安全.