[發(fā)明專利]一種基于機械臂負載質(zhì)量和傳感器零漂在線辨識的重力補償方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710640938.3
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107433590B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈曉鳳;陳歡龍;趙真;王碧;肖余之;靳永強;范慶玲;江晟
• 申請（專利權(quán)）人: 上海宇航系統(tǒng)工程研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 張倩楠;胡晶

本發(fā)明提供一種機械臂負載質(zhì)量和傳感器零漂在線辨識的重力補償方法，包括：S1：采用負載質(zhì)心質(zhì)量辨識模塊獲取機械臂末端的負載的質(zhì)心和質(zhì)量并進行辨識，得到負載的辨識質(zhì)心和辨識質(zhì)量；S2：采用傳感器零漂辨識模塊讀取傳感器的數(shù)值，并根據(jù)所述辨識質(zhì)心和辨識質(zhì)量計算得到傳感器零漂；S3：采用重力補償模塊根據(jù)所述傳感器零漂對傳感器的數(shù)值進行重力補償。該方法可解決由于重力影響機械臂末端負載對末端六維力傳感器引入附加力和力矩作用，以及傳感器零漂誤差的存在將導(dǎo)致傳感器數(shù)值不準確影響最終的力控制效果等問題，由于傳感器零漂的不確定性，決定了其需要在線辨識的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機械臂應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種機械臂負載質(zhì)量和傳感器零漂在線辨識的重力補償方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械臂在工業(yè)生產(chǎn)、空間應(yīng)用等任務(wù)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。由機械臂動力學(xué)特性分析可知，在地面重力環(huán)境下重力相對于摩擦力、哥氏力、離心力對機器臂動態(tài)特性的影響較大，尤其是機械臂處于伸展?fàn)顟B(tài)時，各關(guān)節(jié)的重力影響尤其顯著。為提高機械臂的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，機械臂在操作前一般需要設(shè)置末端載荷的質(zhì)量和質(zhì)心參數(shù)，因此有必要對負載和質(zhì)量特性進行辨識。

以UR、KUKA為典型代表的工業(yè)機械臂系統(tǒng)高度集成，機械臂運動以笛卡爾空間和關(guān)節(jié)空間的位置(角度)和速度(角速度)實施控制，大多數(shù)型號各關(guān)節(jié)并未設(shè)置力矩傳感器，內(nèi)部運行程序封裝有重力場矢量測量和重力補償模塊。若采用該類機械臂在對外交互過程中，為獲得機械臂末端與外界環(huán)境的相互接觸碰撞力，在機械臂末端效應(yīng)器與末端關(guān)節(jié)間安裝六維力矩傳感器以便進行有效的力控制，但傳感器所檢測的信號中組成成分較為復(fù)雜，主要包含有由于負載重力而產(chǎn)生的附加力和力矩(簡稱為重力項)和傳感器的零漂誤差。在實際應(yīng)用中，如果不對重力項和零漂進行補償，將很難實現(xiàn)機器臂的實時精確控制。傳感器的零漂誤差由于環(huán)境溫度等因素，存在隨機性，零漂為非常值，而重力項則隨著機械臂的臂型(各關(guān)節(jié)角度)變化而變化，因此重力項與傳感器零漂誤差存在在線辨識的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種機械臂負載質(zhì)量特性和傳感器零漂在線辨識的重力補償方法，以針對上述重力項和零漂誤差進行在線辨識，提高機械臂的力補償和控制的精度，并解決在地面環(huán)境下，由于重力影響，機械臂末端負載對末端六維力傳感器引進附加力和力矩作用；由于溫度等原因，傳感器每次開機的零漂誤差具有不確定性，在一定時間段內(nèi)為固定值，傳感器零漂誤差的存在將導(dǎo)致傳感器數(shù)值不準確影響最終的力控制效果的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種機械臂負載質(zhì)量和傳感器零漂在線辨識的重力補償方法，包括以下步驟：

S1：采用負載質(zhì)心質(zhì)量辨識模塊獲取機械臂末端的負載的質(zhì)心和質(zhì)量并進行辨識，得到負載的辨識質(zhì)心和辨識質(zhì)量；

S2：采用傳感器零漂辨識模塊讀取傳感器的數(shù)值，并根據(jù)所述辨識質(zhì)心和辨識質(zhì)量計算得到傳感器零漂；

S3：采用重力補償模塊根據(jù)所述傳感器零漂對傳感器的數(shù)值進行重力補償。

較佳地，所述S1進一步包括：負載質(zhì)心質(zhì)量辨識模塊通過調(diào)整所述機械臂的各關(guān)節(jié)角度，獲取不同末端姿態(tài)的各關(guān)節(jié)的角度值，并采集不同末端姿態(tài)下的力矩傳感器的數(shù)值；根據(jù)所采集的力矩傳感器的數(shù)值，基于最小二乘法對負載的質(zhì)心和質(zhì)量的動力學(xué)參數(shù)進行識別，獲取機械臂末端的負載的辨識質(zhì)心和辨識質(zhì)量。

較佳地，還包括：獲取不同末端姿態(tài)的各關(guān)節(jié)的角度值后建立機械臂末端到基座的變化矩陣；建立傳感器坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的變化矩陣；對力矩傳感器的數(shù)值進行截斷取平均值處理得到均值；依據(jù)牛頓第二定律建立隨機誤差的所述均值與負載的質(zhì)量特性的關(guān)系；再利用最小二乘法基于所述關(guān)系對所述負載的質(zhì)心和質(zhì)量進行參數(shù)辨識得到辨識質(zhì)心和辨識質(zhì)量。

較佳地，將所述負載的質(zhì)心和質(zhì)量在重力場下的作用力折算到傳感器坐標(biāo)系上，并將所述數(shù)值進行截斷取平均值處理得到的均值分別與折算到傳感器坐標(biāo)系上的質(zhì)心和質(zhì)量的差值作為傳感器零漂。