[發明專利]基于先驗動力學知識的機器人參數識別及接觸力監測方法

有效

• 申請號: 201911127310.9
• 申請日: 2019-11-18
• 公開（公告）號: CN110716557B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 郭士杰;朱立爽;劉今越;李洋
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 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: 付長杰

本發明為基于先驗動力學知識的機器人參數識別及接觸力監測方法，該方法通過編碼器獲得機器人的關節位置和速度信息、關節加速度信息，數據采集卡實時采集電機驅動器模擬量監測端的電流信息處理后得到的實際關節力矩；控制機器人在空間內做盡量多的不同軌跡的運動，同時采集其在不同時刻的角度、角速度、角加速度、實際力矩作為樣本，通過梯度下降法離線學習，辨識出機器人的動力學參數，得到機器人的理想動力學模型；在實時監測過程中，通過采集和處理的電流信息，帶入理想動力學模型，得到機器人在此時刻的理論力矩；將實際關節力矩和理論力矩比較，若相差超出閾值范圍內則表示發生了碰撞。該方法能實現在低成本下準確獲取接觸力數據。

技術領域

本發明涉及共融機器人與外界的接觸力監測方法技術領域，更具體地，涉及一種基于先驗動力學知識的機器人參數識別及接觸力監測方法。

背景技術

機器人具有負載大、響應快、精度高等優點，通常被用來替代人類從事重復、繁重或者危險的任務，在工業制造的各領域得到了廣泛應用。隨著傳感器、人工智能、自動控制等學科和技術的進步，機器人正逐步發展成具有感知、認知和自主行動能力的智能化裝備，特別是共融機器人概念的提出極大地豐富了機器人的任務內涵。所謂共融機器人，是指機器與人共享同一時間下的工作空間和生產活動，利用人類更為直接的認知和高度智能的決策能力，發揮機器大承載、高精度執行的優勢，通過人機協同作業完成非結構化環境下的非確定性任務。機器人與工作人員處于同一工作空間中并通常需要在操作上相互配合，在這種情況下，機器人的安全性顯得尤為重要，若機器人不采取必要的防撞措施，則會造成設備損壞或人員傷亡，因此，必須首先解決機器人與外界環境的接觸安全性問題。為了保證機器人的安全性，需要對機器人與外界環境的接觸力進行檢測，并及時采取必要的控制策略，避免發生嚴重碰撞，并控制碰撞接觸力在完全可承受的范圍內。

解決機器人安全性問題可以從碰撞檢測開始，目前已有一些學者在這方面做出努力并取得了一定成果。檢測機器人與外界環境接觸力的方法有添加外部傳感器檢測法，如在機器人手腕添加力傳感器法，中國專利CN201510006024.2在機械臂末端法蘭與負載之間設置六維力傳感器，按照設定的采樣頻率不斷采集傳感器的測量數據，進行機械臂的碰撞接觸力檢測與響應，該方法雖然能夠精確檢測出接觸力的大小，但僅限于安裝了外部傳感器的部位。此外，還有在機器人外表面包裹敏感皮膚檢測法，該方法能夠較好地檢測出碰撞接觸力及其碰撞部位，中國專利CN201480076246.5用可容納氣體的軟性覆蓋構件包裹機器人，通過檢測其內部空間的氣體壓強和所述軟性覆蓋構件的外部壓強之間的差壓變化檢測碰撞接觸力，該方法增加了對外部信息處理的難度，增加了機器人布線的復雜度，增加了機器人的體積、降低了靈活性。也有學者提出視覺傳感器檢測法，中國專利CN201810365980.3基于多維視覺傳感器獲得真空機械手的位置信息，并實時判斷其處于危險狀態。該方法可以比較全面的掌握外部環境信息，但圖像信息量大，實時性難以保證。

機器人發生與外界環境發生接觸后，接觸力會瞬間增大，因此，碰撞檢測算法需具備實時性、準確性以及一定的接觸方位識別能力，以便更好地控制接觸力，減小碰撞傷害。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種基于先驗動力學知識的機器人參數識別及接觸力監測方法。該方法先通過梯度下降法離線學習，辨識得到了機器人在自由空間即與包括人在內的周圍環境沒有碰撞和接觸時的理想動力學模型，下文將某時刻在此條件下對應的關節力矩稱為理論力矩。再將機器人實際關節力矩與理論力矩比較，通過上位機解算程序得到機器人的碰撞信息，該方法可以實現在低成本的情況下簡單、準確的接觸力數據獲取，并將接觸力信息作為控制依據驅動機器人進行運動調整保證共融機器人工作過程中的安全性和柔順性。

本發明的目的是方便快捷的識別出機器人與外界環境的接觸力和接觸位置，從而為機器人的控制提供參考。