[發明專利]一種基于外力觀測器的機械臂安全碰撞策略

有效

• 申請號: 201810628311.0
• 申請日: 2018-06-19
• 公開（公告）號: CN108772838B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 張建華;蔡燦;劉璇;姜旭;張明路
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 張國榮

本發明公開一種基于外力觀測器的機械臂安全碰撞策略，該機械臂安全碰撞策略首先建立外力干擾下的柔性關節機械臂動力學模型，并對其進行受力分析；采用雙編碼器的方法來采集電機端和連桿端的角度信息，該外力觀測器里需要對關節位置與速度的測量，而不需要檢測加速度或慣性矩陣的逆矩陣，即可反映電流輸入；對于多自由度的機械臂，廣義動量p和矢量η的計算需要遞推或迭代方法，通過該觀測器可以對外力矩或外力進行檢測，并依據觀測器的觀測值設定了動態閾值，當觀測值超過動態閾值的限定范圍，控制系統即認為碰撞發生，為保證操作人員和機器人的安全，將立刻切換到碰停模式，實現在不同運動速度下的安全反應。

技術領域

本發明屬于工業機器人控制領域，具體是一種基于外力觀測器的機械臂安全碰撞策略，該碰撞策略不依賴外接傳感器實現機器人與障礙物之間的碰撞檢測，也沒有采取視覺檢測障礙物的位置，而是采用基于廣義動量的外力觀測器進行檢測外力的方法，實現在不同運動速度下的安全反應。

背景技術

安全是實現“人機共融”需要解決的首要問題，當機器人在非結構化的環境中運行時，安全問題是首要關注的問題，根據機器人應用環境與功能需求，其安全性可分為兩類：自身安全性和交互安全性。實際上，人機共融導致機器人作業空間存在不確定性障礙物，極易導致意外碰撞。

根據機器人應用環境與功能需求，其安全性可分為兩類：自身安全性和交互安全性。機器人自身安全性指，運動過程中避免因突發情況造成機器人本體的損壞。該類安全性的研究對象集中在機器人本身，主要研究機器人尚未與周圍環境發生接觸碰撞前對自身安全的保護，如過載，過壓，運動奇點等。交互安全性是指，機器人與周圍環境發生交互，在機器人自身安全運行的基礎上，還需要保證其在與周圍物或人的交互過程中，不會對其造成傷害。交互安全性側重于同時考慮機器人和人的安全性，是機器人即將或已經與周圍人員發生接觸后所采取的保護性措施。

工業機器人的安全協作主要分為碰撞檢測階段與安全機制階段，碰撞檢測包括主動避碰和被動避碰兩方面，主動避碰指機器人繞過障礙物到達目標點的路徑規劃，該類避碰一般采用避碰算法和外部視覺傳感器(一般多采用基于多傳感器融合的避碰算法)，有利用視覺傳感器來判斷障礙物的圖像信息，推算機器人與障礙物之間的相對位置，判定機械臂是否與障礙物發生干涉。被動避碰是指機器人在接觸到障礙物后的碰撞檢測以及采取的安全反應策略。對于被動避碰，現階段多采用兩種方法進行碰撞檢測，其中一種方法就是借助力傳感器來檢測外力。有的機械臂應用關節力傳感器，在其各關節安裝力矩傳感器，可通過關節力矩的觀測值來推斷機械臂是否發生碰撞；有的在機械臂末端安裝手腕式力傳感器進行外力的碰撞檢測，利用敏感皮膚檢測機器人全身的外力碰撞，利用外部傳感器碰撞檢測的靈敏度會有所提高，但其不足之處為：外部傳感器的碰撞檢測會增加機器人的成本及布線的復雜程度。

另一種是不采用外部傳感器來采集機械臂各關節的電流與力矩變化，有將讀取的機械臂關節電流轉換為力矩，將位置編碼器的數值帶入理論動力學模型中求得所需此時刻的驅動力矩，理論力矩與實際測量力矩進行對比判斷碰撞情況；該算法需要機械臂各關節的速度與加速度，由于引入噪聲會造成檢測不準確，Je H等通過將測量相鄰時刻各關節的電流變化差值與設定好的閾值進行對比來檢測外力干擾；但此方法容易在機械臂運動過程換向時造成誤檢測，還有通過對系統能量的變化進行碰撞檢測，該法的弊端在于只能檢測運動過程中的外力，當機械臂靜止時，影響檢測的準確性與實時性。有文獻(Luca A D,Mattone R.Sensorless Robot Collision Detection and Hybrid Force/MotionControl[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.IEEE,2005:999-1004.)采取一種基于廣義動量設計外力觀測器，此法不引入加速度帶來的噪聲干擾，但是一階低通濾波器的傳遞函數中增益太少不能保證準確性和快速性，此外只能檢測持續緩慢的外力，不能檢測高速急劇的外力。