一种基于速度偏差的机器人碰撞检测方法及装置制造方法及图纸

一种基于速度偏差的机器人碰撞检测方法及装置，具体采用对理想计算速度进行滤波优化，利用滤波器的滞后性处理理想计算速度；使其与实际速度相减得到优化速度偏差；设置机器人碰撞检测上下限阈值；当检测到优化速度偏差超过阈值时控制机器人停止运动或采取其他规避算法避免碰撞带来的人身伤害和机器人机械损害。通过上述设置，提高检测灵敏性，从而避免机器人加减速干扰碰撞检测。所述方法简单有效，不需要增加额外的力传感器，也不需要检测加速度、电流、力矩等其他参数，算法中也不包含复杂的机器人动力学运算。实验结果表明，该方法可以有效、灵敏、准确地检测到碰撞，以此为基础可控制机器人立即停止运动而避免对人和机器人本身造成损害。

A Robot Collision Detection Method and Device Based on Velocity Deviation

A method and device for robot collision detection based on velocity deviation is presented. The ideal computing speed is optimized by filtering, and the lag of the filter is used to process the ideal computing speed; the optimal velocity deviation is obtained by subtracting the filter from the actual velocity; the upper and lower thresholds of robot collision detection are set; when the optimal velocity deviation exceeds the threshold, the robot stops moving or is controlled. Other avoidance algorithms are adopted to avoid personal injury and mechanical damage caused by collision. Through the above settings, the detection sensitivity is improved, thus avoiding the interference of acceleration and deceleration of the robot in collision detection. The proposed method is simple and effective. It does not need additional force sensors or other parameters such as acceleration, current, torque, etc. The algorithm does not include complex robot dynamics operations. The experimental results show that this method can detect collisions effectively, sensitively and accurately. Based on this method, the robot can stop motion immediately and avoid damage to human beings and the robot itself.

【技术实现步骤摘要】
一种基于速度偏差的机器人碰撞检测方法及装置
本专利技术涉及机器人控制
，具体涉及一种机器人碰撞检测的方法及装置。
技术介绍
机器人可以代替人执行高效、高精度重复性体力劳动。机器人工作时，如果和周围环境发生碰撞，可能造成周围环境或机器人本体损坏。在一些复杂精密的任务中，往往需要机器人和工人协同配合工作。这时，机器人的安全性尤为重要。机器人需要采取必要的安全防碰撞措施来保证人及机器人本体的安全。在碰撞发生时，机器人要能检测到碰撞并采取一定的控制策略避免碰撞造成严重后果。目前，一些学者从多个角度出发提出了不同的碰撞检测方案。如在机器人表面包裹皮肤传感器。该方法能精确检测出碰撞及碰撞部位，但是大大增加了机器人的复杂度与成本，降低了灵活性。有的方案在机器人关节处增加力传感器。该方案增加了机器人成本并且只适用于装配了力传感器的机器人轴。有学者提出利用视觉传感器观测碰撞。该方案中图像处理信息量巨大、实时性差，并且视觉传感器一般都具有盲区。有学者提出通过对比机器人关节位置指令值与实际关节位置值的误差来判断是否发生碰撞的方案。有的学者更进一步提出通过对机器人关节位置指令通过算法处理后与实际关节位置值对比的方案。事实上，机器人关节电机伺服控制的位置环处于机器人伺服的最外环。机器人关节位置指令值与实际关节位置值的误差不“灵敏”。由于碰撞造成的位置指令值与实际关节位置值的误差非常小，十分容易被其他噪声掩盖而无法判断机器人是否发生了碰撞。该方案的可行性低。此外，还有学者提出根据机器人动力学计算力矩和实际采样力矩的对比检测碰撞以及基于能量、动量的检测方案。这些方案或是计算复杂，或是实时性，精度不高。而目前尚未见到有学者提出基于对机器人速度进行处理来判断碰撞检测的相关方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有机器人碰撞检测方案具有增加额外传感器或计算复杂或实时性不高等缺点，提供一种不需额外增加传感器、简单有效的基于速度偏差的机器人碰撞检测方法和装置。本专利技术通过如下技术方案实现：一种基于速度偏差的机器人碰撞检测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)设置机器人碰撞上限阈值Δωupper和碰撞下限阈值Δωlower，Δω为速度偏差；2)设置机器人的运动轨迹、速度、加速度；3)根据所选取的运动轨迹规划算法求解机器人的理想运动速度ωideal；4)将理想运动速度ωideal通过滤波器的处理得到优化速度ω′ideal；5)获取机器人运动轨迹的实时测量值；6)对机器人的运动轨迹求微分并带入实时测量值，得到机器人实际速度ωreal；7)将优化速度ω′ideal与实际速度ωreal相减得到所述速度偏差Δω：Δω＝ω′ideal-ωreal；(1)8)判断是否发生碰撞，如果Δω＞Δωupper或Δω＜Δωlower，则认为碰撞发生；9)检测到碰撞发生后，机器人采取相应措施避免碰撞对机器人本体或其周围环境造成严重损害。进一步地，步骤2中机器人的运动轨迹、速度、加速度分别设置为机器人各个关节的关节角、角速度、角加速度。进一步地，步骤3中的运动轨迹规划算法选择五次多项式插值函数：θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5(2)其一阶和二阶导数为：上式中，θ(t)、分别为机器人的关节角、角速度、角加速度；a0、a1、a2、a3、a4、a5为多项式的系数；t为时间变量；对于其中一段运动轨迹，根据机器人各个关节角轨迹初始状和终末位置、角速度、角加速度状态量，反解出五次多项式插值函数的6个系数a0、a1、a2、a3、a4、a5如下：其中tf为终末时间，根据(5)式所得系数，求解该段运动轨迹中机器人关节理想运动速度为：上式(6)中的a1、a2、a3、a4、a55个系数分别由式(5)代替。进一步地，步骤3中的运动轨迹规划算法可选择为三次多项式插值算法、高阶多项式插值算法、三次样条插值算法、用抛物线过渡的线性插值算法。进一步地，该方法适用于机器人离线轨迹规划或机器人在线轨迹规划；在离线轨迹规划中，通过滤波器处理得到所述的优化速度然后将优化速度数据存储于上位控制器中，实时与实际速度进行比较，用于判断碰撞是否发生；在线轨迹规划中，上位控制器根据轨迹规划指令，通过滤波器处理得到所述的优化速度并与实际速度进行比较，用于判断碰撞是否发生。进一步地，步骤4中的所述滤波器有k个，k为大于等于1的整数，ω′ideal＝η1ω′ideal1+η2ω′ideal2+…+ηkω′ideal(k)(7)其中，ω′ideal1、ω′ideal2、……ω′ideal(k)分别为第1、第2、……第k个滤波器处理后的优化速度，η1，η2，…ηk分别为第1、第2、第k个滤波器所占的权重，有η1+η2+…ηk＝1。本专利技术的另一个方面提供了一种实现上述方法的机器人控制装置，所述控制装置包括上位控制器和伺服系统；所述上位控制器用于机器人轨迹规划、系统层级信号处理、上层算法实现和人机交互；伺服系统包括位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器，所述位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器依次相连，用于调节伺服电机；所述控制装置还包括滤波器，连接至上位控制器，理想运动速度ωideal通过滤波器的处理得到优化速度ω′ideal。进一步地，所述滤波器有k个，k为大于等于1的整数，ω′ideal＝η1ω′ideal1+η2ω′ideal2+…+ηkω′ideal(k)其中，ω′ideal1、ω′ideal2、……ω′ideal(k)分别为第1、第2、……第k个滤波器处理后的优化速度，η1，η2，…ηk分别为第1、第2、……第k个滤波器所占的权重，有η1+η2+…ηk＝1。本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：1)利用滤波器的滞后性处理理想计算速度，使其与实际速度能很好的切合。这样可以减小机器人正常工作时的速度偏差，提高检测灵敏性，从而避免机器人加减速干扰碰撞检测；2)选取速度作为检测对象，计算方法简单有效，不需要增加额外的传感器，不需要检测加速度，电流，力矩等，也不需要进行复杂的机器人动力学运算；3)设置机器人碰撞检测上下限阈值；当检测到优化速度偏差超过阈值时控制机器人停止运动或采取其他规避算法避免碰撞带来的人身伤害和机器人机械损害；4)简化机器人碰撞检测系统，降低机器人成本，促进机器人技术的发展。附图说明图1是现有技术中机器人控制系统示意图；图2是基于速度偏差的机器人控制系统示意图；图3是理想速度偏差下的碰撞实验结果图；图4是优化速度偏差算法框图；图5是优化速度偏差下的碰撞实验结果图；图6是基于优化速度偏差的机器人控制系统示意图；图7是实际速度偏差与优化速度偏差下的碰撞实验结果对比图；图8是多个滤波器优化速度的机器人控制系统示意图。附图标记：1：上位控制器；2：位置环控制器；3：速度环控制器；4：电流环控制器；5：伺服系统；6：滤波器。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。本专利技术的目的在于针对现有机器人碰撞检测方案具有增加额外传感器或计算复杂或实时性不高等缺点，提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于速度偏差的机器人碰撞检测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)设置机器人碰撞上限阈值Δωupper和碰撞下限阈值Δωlower，Δω为速度偏差；2)设置机器人的运动轨迹、速度、加速度；3)根据所选取的运动轨迹规划算法求解机器人的理想运动速度ωideal；4)将理想运动速度ωideal通过滤波器的处理得到优化速度ω'ideal；5)获取机器人运动轨迹的实时测量值；6)对机器人的运动轨迹求微分并带入实时测量值，得到机器人实际速度ωreal；7)将优化速度ω'ideal与实际速度ωreal相减得到所述速度偏差Δω：Δω＝ω'ideal‑ωreal；   (1)8)判断是否发生碰撞，如果Δω＞Δωupper或Δω＜Δωlower,则认为碰撞发生；9)检测到碰撞发生后，机器人采取相应措施避免碰撞对机器人本体或其周围环境造成严重损害。

【技术特征摘要】
1.一种基于速度偏差的机器人碰撞检测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)设置机器人碰撞上限阈值Δωupper和碰撞下限阈值Δωlower，Δω为速度偏差；2)设置机器人的运动轨迹、速度、加速度；3)根据所选取的运动轨迹规划算法求解机器人的理想运动速度ωideal；4)将理想运动速度ωideal通过滤波器的处理得到优化速度ω'ideal；5)获取机器人运动轨迹的实时测量值；6)对机器人的运动轨迹求微分并带入实时测量值，得到机器人实际速度ωreal；7)将优化速度ω'ideal与实际速度ωreal相减得到所述速度偏差Δω：Δω＝ω'ideal-ωreal；(1)8)判断是否发生碰撞，如果Δω＞Δωupper或Δω＜Δωlower,则认为碰撞发生；9)检测到碰撞发生后，机器人采取相应措施避免碰撞对机器人本体或其周围环境造成严重损害。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中机器人的运动轨迹、速度、加速度分别设置为机器人各个关节的关节角、角速度、角加速度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中的运动轨迹规划算法选择五次多项式插值函数：θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5(2)其一阶和二阶导数为：上式中，θ(t)、分别为机器人的关节角、角速度、角加速度；a0、a1、a2、a3、a4、a5为多项式的系数；t为时间变量；对于其中一段关节角的运动轨迹，根据机器人各个关节角轨迹初始状和终末位置、角速度、角加速度状态量，反解出五次多项式插值函数的6个系数a0、a1、a2、a3、a4、a5如下：其中tf为终末时间，根据(5)式所得系数，求解该段运动轨迹中机器人关节理想运动速度为：上式(6)中的a1、a2、a3、a4、a55个系数分别由式(5)代替。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中的运动轨迹规划算法可选择为三次多项式插值算法、高阶多项式插值算法...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖曦，许文中，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11