[發(fā)明專利]一種無傳感器式協作機器人碰撞檢測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711279077.7
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN108000521A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發(fā)明（設計）人: 肖聚亮;田志偉;王國棟;洪鷹;段文斌;劉宏業(yè);張智濤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗英

本發(fā)明公開了無傳感器式協作機器人碰撞檢測方法，基于協作機器人廣義動量構造關節(jié)外力矩觀測器的方法，實現實時對外部碰撞力以及摩擦力作用在關節(jié)上的力矩的觀測。通過機器人正常運行時的觀測值進行關節(jié)摩擦力矩模型求解，使得觀測值只受碰撞力的影響。當觀測值超出預設的閾值時認為機器人發(fā)生碰撞，機器人立刻停止運行，避免在人機協作過程中對人體造成傷害。本發(fā)明無需在機器人外部安裝額外的傳感器，只需通過機器人控制系統獲取機器人的關節(jié)驅動力矩，關節(jié)位置，關節(jié)角度即可以實現碰撞檢測功能，避免了增加機器人結構的復雜性以及提高機器人制造成本。通過閾值的設定可以改變碰撞檢測的靈敏度，保證人機協作安全。

技術領域

本發(fā)明涉及機器人控制技術領域，特別是一種無傳感器式協作機器人碰撞檢測方法

背景技術

區(qū)別傳統工業(yè)機器人需要用圍欄將人與機器人隔離開，協作機器人的應用場合需要進行密切的人機協作，在人與機器人交互協作過程中難免會發(fā)生接觸碰撞的情況，如果對此情況不進行檢測以及合適處理，會對人身造成危害，無法保證人機協作安全。

常見的碰撞檢測方法主要分為有傳感器碰撞檢測和無傳感器碰撞檢測，安裝傳感器的方法主要有在關節(jié)處安裝力矩傳感器以及在機器人本體上包裹一層敏感的“皮膚”傳感器等，安裝傳感器不僅會增加機器人結構的復雜性還會提高機器人的制造成本。無傳感器的碰撞檢測主要是基于力矩差的碰撞檢測，通過計算預測力矩和實際采集力矩差值來設定閾值，進而做出判斷，但在計算預測力矩時候需要加速度，加速度的采集容易引入很大噪聲。

中國專利申請CN104985598A公開了一種工業(yè)機器人碰撞檢測方法，該方法通過運動軌跡實時預測關節(jié)理論驅動力矩，并實時地計算理論力矩與實際采樣力矩之間的差值，當該差值超過預設閾值時候機器人停止運動。但在計算預測力矩時候需要引入關節(jié)加速度，機器人系統的關節(jié)加速度是通過關節(jié)速度差分得到的，當機器人速度存在抖動時候加速度非常容易引人很大的噪聲，容易造成誤檢測。

中國專利申請CN103192413A公開了一種無傳感器的機器人碰撞檢測保護裝置及方法，該方法主要是通過建立擾動觀測器對外界干擾力進行觀測并計算干擾力對機器人運動狀態(tài)的影響，從而預測下一時刻的運動狀態(tài)，通過預測的下一時刻的運動狀態(tài)與事先規(guī)劃的狀態(tài)之間的差值與預設閾值作對比；若檢測到差值超過預設閾值，則驅使機器人停止工作。該方法需要經過大量的碰撞試驗才能通過神經網絡方法使得擾動觀測器輸出的數值與實際的數值誤差減小，因此該方法相對較為繁瑣且誤差難以控制。

中國專利申請CN102426391A公開了一種判斷機器人運行是否發(fā)生碰撞的方法，該方法涉及兩個變量,一個是機器人的位置誤差,另一個是運行過程中電機的電流值。通過當前軌跡的位置誤差和實時測量的電流值的合成一個碰撞標量,再與預設碰撞閾值比較來實現碰撞檢測,但該方法需要在電機上安裝電流傳感器，這有可能需要改變機器人的安裝結構，而且還需要增加機器人成本。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服已有技術的缺點，提供一種適用于輕型協作機器人的任何工況，不改變機器人結構以及不增加機器人制造成本，保證人機協作安全的無傳感器式協作機器人碰撞檢測方法。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現：

1.無傳感器式協作機器人碰撞檢測方法，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器人動力學模型，模型的表達式如下：

τe＝τc+τf