基于外力矩估计模型的机器人碰撞检测方法

摘要

本发明涉及一种基于外力矩估计模型的机器人碰撞检测方法，采用无传感器的外力矩估计方式，采集关节转角计算关节重力矩、采集关节角速度计算摩擦力矩、采集关节电流计算关节驱动力矩，得到外力矩估计值，进行碰撞外力的实时监控，设定外力矩振荡阈值和碰撞阈值，以检测碰撞的发生，并提供两种碰撞检测反映模式，实现安全、简洁有效的机器人碰撞检测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人控制技术，特别涉及一种基于外力矩估计模型的机器人碰撞检测方法。

背景技术

机器人在协作共享空间内完成人机交互任务时，保证人机安全是人机交互的前提，需要实时检测机器人与人、机器人与环境之间是否存在碰撞，机器人发生碰撞时必须采用安全措施，以避免意外事故的发生。目前机器人碰撞检测主要分为基于外部传感器和基于无传感器两种检测方式。

基于外部传感器的检测方式通常采用视觉、力觉、触觉等传感器，获取机器人与外界的交互信息，灵敏度高，这种方式需要外加一种或多种传感器，价格而较为昂贵，不利于广泛推广；因此，研究基于无传感器的机器人碰撞检测方式是十分有必要的。

发明内容

为了无传感器实现碰撞检测，提出了一种基于关节电机速度控制的机器人示教方法，实现安全、简洁有效的机器人碰撞检测。

本发明的技术方案为：一种基于外力矩估计模型的机器人碰撞检测方法，具体包括如下步骤：

1)机器人运行前标定机器人各关节电机转矩常数K；

2)机器人正常运动，各关节以安全速度运行，采集关节实际位置q、关节运行速度

3)采集关节电流i，计算各关节电机驱动力矩τ

4)依据关节驱动力矩τ

5)设置关节外力矩振荡阈值τ

6)执行碰撞发生后运动模式：机器人检测到碰撞发生后，即τ

优选的，所述步骤1)关节电机转矩常数K获取方法：

采用静止状态进行关节转矩常数的测量，令机器人处于不同的静止位姿，对于各关节，此时电机转矩常数与关节重力之间呈线性关系：

τ

选取多种位姿，选取关节角度0°至180°中的数组数据，通过控制器和通讯端口采集关节电机力矩、电流和关节位置，将关节位置、质量、质心带入MATLAB模型中仿真，求出各关节重力，与关节电流进行线性拟合求得对应关节电机转矩K。

优选的，所述计算机器人各关节实际重力矩G(q)依据连杆静力平衡方程求得，值与关节位置和其自身的结构参数有关。

优选的，所述机器人各关节摩擦力矩τ

式中：f

本发明的有益效果在于：本发明基于外力矩估计模型的机器人碰撞检测方法，有利于实现安全、简洁有效的机器人碰撞检测；有利于促进人机交互技术的安全实现。

附图说明

图1为本发明基于外力矩估计模型的机器人碰撞检测方法原理示意图；

图2为本发明基于外力矩估计模型的机器人碰撞检测方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2所示，本发明公开了一种基于外力矩估计模型的机器人碰撞检测方法，旨在实现安全、简洁有效的机器人碰撞检测。包括如下步骤：

Step 1:机器人运行前标定机器人各关节电机转矩常数K。

Step 2:机器人正常运动，各关节以安全速度运行，采集关节实际位置q、运行速度

Step 3:采集关节电流i，计算各关节电机驱动力矩τ

Step 4:依据关节驱动力矩τ

Step 5:设置关节外力矩振荡阈值τ

Step 6:执行碰撞发生后运动模式。机器人检测到碰撞发生后，即τ

具体的，机器人运行前标定机器人各关节电机转矩常数时，为避免关节运动所引起的惯性力、非线性偶合力、摩擦力以及获取速度加速度的误差，采用静止状态进行关节转矩常数的测量，令机器人处于不同的静止位姿，对于各关节，此时电机转矩常数与关节重力之间呈线性关系：

τ

为提高标定准确性，选取多种位姿，选取关节角度0°至180°中的20组数据，通过控制器和通讯端口采集关节电机力矩、电流和关节位置，将关节位置、质量、质心带入MATLAB模型中仿真，求出各关节重力，与关节电流进行线性拟合求得对应关节电机转矩K。

具体的，计算机器人各关节实际重力矩G(q)和摩擦力矩τ

式中：f

具体的，实时计算并检测关节外力矩的方法为：通过上述步骤求得的关节驱动力矩τ

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。