[發(fā)明專利]一種無傳感器式協(xié)作機(jī)器人碰撞檢測(cè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711279077.7
• 申請(qǐng)日: 2017-12-06
• 公開（公告）號(hào): CN108000521A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖聚亮;田志偉;王國(guó)棟;洪鷹;段文斌;劉宏業(yè);張智濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王麗英

1.無傳感器式協(xié)作機(jī)器人碰撞檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、采用拉格朗日方程建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，模型的表達(dá)式如下：

M ( q ) q ·· + C ( q , q · ) q · + G ( q ) + τ f = τ d - τ c ]]>

τe＝τc+τf

式中：q、分別為機(jī)器人待測(cè)定的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度、角速度、角加速度；M(q)為機(jī)器人慣性項(xiàng)系數(shù)矩陣，為n×n矩陣，n代表機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)數(shù)；代表科氏力和離心力項(xiàng)系數(shù)，為n×n矩陣；G(q)為重力項(xiàng)；τf為關(guān)節(jié)處傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦力矩；τd為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，近似于待測(cè)定關(guān)節(jié)的電機(jī)扭矩乘上該關(guān)節(jié)的減速比；τc為外部碰撞力等效作用在關(guān)節(jié)上的力矩，所述的τe為外力矩；

步驟二、求解拉格朗日方程中的機(jī)器人慣性項(xiàng)系數(shù)矩陣，科氏力和離心力項(xiàng)系數(shù)，重力項(xiàng)，具體步驟為：

(a)通過機(jī)器人控制系統(tǒng)采集各個(gè)關(guān)節(jié)角度、角速度、角加速度,然后進(jìn)行算術(shù)平均值濾波處理，并通過solidworks軟件得到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的慣性參數(shù)：質(zhì)量、質(zhì)心位置向量、慣性張量矩陣；

(b)通過所述的機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的慣性參數(shù)計(jì)算獲得慣性項(xiàng)系數(shù)矩陣，科氏力和離心力項(xiàng)系數(shù)，重力項(xiàng)的表達(dá)式；

步驟三、基于機(jī)器人廣義動(dòng)量方程得到外力矩觀測(cè)器模型，求解外力矩觀測(cè)器模型中機(jī)器人待測(cè)定的關(guān)節(jié)觀測(cè)值向量r，當(dāng)機(jī)器人發(fā)生碰撞時(shí)，則待測(cè)定的關(guān)節(jié)觀測(cè)值向量r近似等于外力矩τe；

所述的外力矩觀測(cè)器模型為：

式中，P為機(jī)器人廣義動(dòng)量，Kr為外力矩觀測(cè)器的增益矩陣，r初始值為0，r(t)表示t時(shí)刻各個(gè)關(guān)節(jié)觀測(cè)值向量r的值；

步驟四、機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)沒有發(fā)生碰撞時(shí)，有τc＝0，此時(shí)，r≈τe＝τf，利用下式建立摩擦力矩模型以求解機(jī)器人待測(cè)定的關(guān)節(jié)傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦力矩τf，得到機(jī)器人沒有發(fā)生碰撞正常運(yùn)行時(shí)的觀測(cè)值r：

式中，τf為關(guān)節(jié)摩擦力矩，τh為靜摩擦力矩，τs為最大靜摩擦力矩，τk為庫(kù)倫摩擦力矩，a1、a2、a3分別為與速度相關(guān)摩擦系數(shù)；

通過采集多組機(jī)器人沒有發(fā)生碰撞正常運(yùn)動(dòng)過程中的觀測(cè)值r以及關(guān)節(jié)速度并通過MATLAB擬合曲線工具箱求解出摩擦力矩模型τf中的靜摩擦力矩τh、最大靜摩擦力矩τs、庫(kù)倫摩擦力矩τk以及與速度相關(guān)摩擦系數(shù)a1、a2、a3；

步驟五、通過公式τc＝r-τf，得到碰撞力作用在關(guān)節(jié)上的碰撞力矩τc，設(shè)置一個(gè)閾值τnormal，當(dāng)|τc|≥|τnormal|時(shí)，機(jī)器人立刻停止運(yùn)行。