用于机械臂的负载估测重力补偿的方法及其系统技术方案

一种用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该方法包含：机械臂受操作者作用而移动到第一位置，驱动模组输出对应当前负载的第一扭力讯号与第一关节角度；讯号处理器转换第一扭力讯号为第一扭力值；负载估测模组产生修正参数、零负载扭力值，及满负载扭力值；机械臂受负载改变使驱动模组输出第二扭力讯号；讯号处理器转换第二扭力讯号为第二扭力值；负载估测模组依据第一扭力值、零负载扭力值、满负载扭力值及第二扭力值估测出估测负载值；重力补偿模组依据估测负载值与第二关节角度产生补偿扭力值，不需安装昂贵的扭力感测器，便能即时估测未知负载所造成的重力影响。本发明专利技术还提供执行前述方法的负载估测重力补偿系统。

Gravity Compensation Method and System for Load Estimation of Manipulator

A method of gravity compensation for load estimation of a manipulator is presented. The method includes: the manipulator moves to the first position, the driving module outputs the first torsion signal corresponding to the current load and the first joint angle; the signal processor converts the first torsion signal to the first torsion value; the load estimation module generates correction parameters, zero load torsion value, and full load torsion. Force value; Manipulator is changed by load to output the second torsion signal; Signal processor converts the second torsion signal to the second torsion value; Load estimation module estimates the load value based on the first torsion value, zero load torsion value, full load torsion value and the second torsion value; Gravity compensation module generates compensation torsion value based on the estimated load value and the second joint angle, No. Expensive torsion sensors are needed to estimate the gravitational effects of unknown loads in real time. The invention also provides a load estimation gravity compensation system for executing the aforementioned method.

【技术实现步骤摘要】
用于机械臂的负载估测重力补偿的方法及其系统
本专利技术涉及一种负载估测重力补偿的方法与其负载估测重力补偿系统，特别是涉及一种用于机械臂的负载估测重力补偿的方法及其负载估测重力补偿系统。
技术介绍
随着科技日渐进步，机械臂的耐用性、可自动控制、及具精密度等特性已被广泛的应用于各领域中。在机械臂独自运作，或与操作者进行人机协同作业时，当外界对机械臂施加额外的负载时，机械臂的输出参数须根据此负载而给予对应的重力补偿，以确保机械臂顺应此负载而正常运作。一般要让机械臂应对负载改变而给予对应的重力补偿时，须先得知施加在机械臂的负载改变量。常见的作法是在负载施加于机械臂前，预先量测欲施加的负载的重量后，再将其重量参数输入给机械臂，以让机械臂能应对此负载改变给予适当的重力补偿，然，此方式需在每次改变负载前先量测负载重量，使得操作流程繁复。另一种方式则是在机械臂的各关节处设置扭力感测器并搭配一校正流程，用于量测施加于机械臂的负载变化，如美国第9,533,414B2号核准公告专利揭示一种扭力检测方法，主要在机械臂外加负载时，先量测机械臂的机械偏差值与计算重力系数并经校正流程后，根据扭力感测器回馈及输出轴旋转角度计算出重力补偿量，然而，此种方式需要额外设置高成本的扭力感测器，且对于未知负载需要重新校正才能达到重力补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于机械臂的负载估测重力补偿的方法。本专利技术用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，透过负载估测重力补偿系统来实施，该机械臂包括至少一关节及安装在该至少一关节处的驱动模组，该负载估测重力补偿系统包括与该驱动模组连接的讯号处理器、对应该至少一关节安装且与该讯号处理器连接的负载估测模组，及与该负载估测模组连接的重力补偿模组，该负载估测模组具有重力模型修正单元、虚拟机械臂单元，及计算单元组，该用于机械臂的负载估测重力补偿的方法包含步骤(A)、步骤(B)、步骤(C)、步骤(D)、步骤(E)、步骤(F)、步骤(G)、步骤(H)、步骤(I)，及步骤(J)。该步骤(A)是该机械臂受操作者作用而移动到第一位置并定义承受当前负载，且由操控模式转换成位置控制模式。该步骤(B)是该驱动模组输出对应该当前负载的第一扭力讯号，及对应该第一位置的第一关节角度。该步骤(C)是该讯号处理器接收该第一扭力讯号转换产生第一扭力值。该步骤(D)是该负载估测模组的该重力模型修正单元接收该第一扭力值以产生修正参数，该虚拟机械臂单元接收该修正参数及该第一关节角度而产生零负载扭力值及满负载扭力值。该步骤(E)是改变该当前负载成未知负载。该步骤(F)是该驱动模组输出对应该未知负载的第二扭力讯号。该步骤(G)是该讯号处理器接收该第二扭力讯号转换产生第二扭力值。该步骤(H)是该负载估测模组的该计算单元组依据该第一扭力值、该零负载扭力值、该满负载扭力值，及该第二扭力值估测出与该未知负载的值相近的估测负载值。该步骤(I)是转换成扭力控制模式，该机械臂受该操作者作用，从该第一位置移动到第二位置，且该驱动模组输出对应该第二位置的第二关节角度。该步骤(J)是该重力补偿模组依据估测出的该估测负载值与该第二关节角度，产生补偿扭力值并输入至该驱动模组。本专利技术用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该未知负载扣除该当前负载为负载变化量，该估测负载值是由该当前负载与该负载变化量相加而得。较佳地，本专利技术用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该计算单元组具有与该虚拟机械臂单元连接的负载变化曲线单元，及与该负载变化曲线单元连接的计算负载单元，且该步骤(H)包括(H1)该负载变化曲线单元接收该第一扭力值、该零负载扭力值、该满负载扭力值，及该第二扭力值，以计算输出该负载变化量；及(H2)该计算负载单元接收该负载变化量而计算输出该估测负载值。更佳地，本专利技术用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该步骤(H1)中，该负载变化曲线单元是通过该机械臂所能承受的最大负载值、该零负载扭力值，及该满负载扭力值计算出关节扭力变化曲线方程式，并将该第一扭力值与该第二扭力值输入至该关节扭力变化曲线方程式，以计算出该负载变化量。本专利技术用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该机械臂还包括多个通过该至少一关节相连接的连杆，其中，于该步骤(J)中，该重力补偿模组依据该关节数量、该至少一关节的输出轴线方向、该至少一关节的关节角度、各该连杆的连杆重量、各该连杆的重心位置，及该估测负载值计算出该补偿扭力值。本专利技术用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该当前负载与该未知负载的作用方向不与该至少一关节的该输出轴线方向成角度或平行。本专利技术用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该驱动模组包括致动器、与该致动器连接的机构组件，及与该机构组件连接的编码器，其中，该步骤(A)中，该机械臂受该致动器依该操控模式输出对应的操控讯号至该机构组件而驱动至该第一位置，于该步骤(B)、该步骤(F)与该步骤(I)中，由该致动器输出该第一扭力讯号与该第二扭力讯号，由该编码器输出该第一关节角度与该第二关节角度。本专利技术用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该第一扭力讯号与该第二扭力讯号为电流讯号，该讯号处理器通过该致动器输出的该电流讯号与该致动器的扭力常数计算出该第一扭力值与该第二扭力值。本专利技术的另一目的在于提供一种负载估测重力补偿系统。本专利技术负载估测重力补偿系统，适用于安装在机械臂上，该机械臂包括至少一关节，及安装在该至少一关节处的驱动模组，该驱动模组用于输出对应该至少一关节于第一位置的第一扭力讯号、第二扭力讯号与第一关节角度，及对应该至少一关节于第二位置的第二关节角度，该负载估测重力补偿系统包含讯号处理器、负载估测模组，及重力补偿模组。该讯号处理器与该驱动模组连接，用于接收该第一扭力讯号与该第二扭力讯号而分别转换产生第一扭力值与第二扭力值。该负载估测模组对应该至少一关节安装且与该讯号处理器连接，该负载估测模组包括重力模型修正单元、连接该重力模型修正单元的虚拟机械臂单元，及连接该虚拟机械臂单元的计算单元组，该重力模型修正单元用于接收该第一扭力值以产生修正参数，该虚拟机械臂单元用于接收该修正参数及该第一关节角度而产生零负载扭力值及满负载扭力值，该计算单元组依据该第一扭力值、该零负载扭力值、该满负载扭力值，及该第二扭力值估测出估测负载值。该重力补偿模组与该负载估测模组连接，依据估测出的该估测负载值与该第二关节角度，产生补偿扭力值并输入至该驱动模组。本专利技术负载估测重力补偿系统，该计算单元组具有与该虚拟机械臂单元连接的负载变化曲线单元，及与该负载变化曲线单元连接的计算负载单元，该负载变化曲线单元用于接收该第一扭力值、该零负载扭力值、该满负载扭力值，及该第二扭力值，以计算输出负载变化量，该计算负载单元用于接收该负载变化量而计算输出该估测负载值。本专利技术的有益效果在于：通过输入该第一扭力值、该第二扭力值、该修正参数、该虚拟机械臂单元产生的该零负载扭力值，及该满负载扭力值至该计算单元组估测出估测负载值，再由该重力补偿模组依据估测出的该估测负载值与该第二关节角度至该驱动模组完成机械手臂的重力补偿功能，于负载发生改变时无须如现有技术进行校正流程，且不需安装昂贵的扭力感测器，便能即时估测未知负载所造成的重力影响。附图说明图1是一方块图，说明本专利技术负载估测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，透过负载估测重力补偿系统来实施，该机械臂包括至少一关节及安装在该至少一关节处的驱动模组，该负载估测重力补偿系统包括与该驱动模组连接的讯号处理器、对应该至少一关节安装且与该讯号处理器连接的负载估测模组，及与该负载估测模组连接的重力补偿模组，该负载估测模组具有重力模型修正单元、虚拟机械臂单元，及计算单元组；其特征在于：该用于机械臂的负载估测重力补偿的方法包含以下步骤：(A)该机械臂受操作者作用而移动到第一位置并定义承受当前负载，且由操控模式转换成位置控制模式；(B)该驱动模组输出对应该当前负载的第一扭力讯号，及对应该第一位置的第一关节角度；(C)该讯号处理器接收该第一扭力讯号转换产生第一扭力值；(D)该负载估测模组的该重力模型修正单元接收该第一扭力值以产生修正参数，该虚拟机械臂单元接收该修正参数及该第一关节角度而产生零负载扭力值及满负载扭力值；(E)改变该当前负载成未知负载；(F)该驱动模组输出对应该未知负载的第二扭力讯号；(G)该讯号处理器接收该第二扭力讯号转换产生第二扭力值；(H)该负载估测模组的该计算单元组依据该第一扭力值、该零负载扭力值、该满负载扭力值，及该第二扭力值估测出与该未知负载的值相近的估测负载值；(I)转换成扭力控制模式，该机械臂受该操作者作用，从该第一位置移动到第二位置，且该驱动模组输出对应该第二位置的第二关节角度；及(J)该重力补偿模组依据估测出的该估测负载值与该第二关节角度，产生补偿扭力值并输入至该驱动模组。...

【技术特征摘要】
1.一种用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，透过负载估测重力补偿系统来实施，该机械臂包括至少一关节及安装在该至少一关节处的驱动模组，该负载估测重力补偿系统包括与该驱动模组连接的讯号处理器、对应该至少一关节安装且与该讯号处理器连接的负载估测模组，及与该负载估测模组连接的重力补偿模组，该负载估测模组具有重力模型修正单元、虚拟机械臂单元，及计算单元组；其特征在于：该用于机械臂的负载估测重力补偿的方法包含以下步骤：(A)该机械臂受操作者作用而移动到第一位置并定义承受当前负载，且由操控模式转换成位置控制模式；(B)该驱动模组输出对应该当前负载的第一扭力讯号，及对应该第一位置的第一关节角度；(C)该讯号处理器接收该第一扭力讯号转换产生第一扭力值；(D)该负载估测模组的该重力模型修正单元接收该第一扭力值以产生修正参数，该虚拟机械臂单元接收该修正参数及该第一关节角度而产生零负载扭力值及满负载扭力值；(E)改变该当前负载成未知负载；(F)该驱动模组输出对应该未知负载的第二扭力讯号；(G)该讯号处理器接收该第二扭力讯号转换产生第二扭力值；(H)该负载估测模组的该计算单元组依据该第一扭力值、该零负载扭力值、该满负载扭力值，及该第二扭力值估测出与该未知负载的值相近的估测负载值；(I)转换成扭力控制模式，该机械臂受该操作者作用，从该第一位置移动到第二位置，且该驱动模组输出对应该第二位置的第二关节角度；及(J)该重力补偿模组依据估测出的该估测负载值与该第二关节角度，产生补偿扭力值并输入至该驱动模组。2.根据权利要求1所述的用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，其特征在于：该未知负载扣除该当前负载为负载变化量，该估测负载值是由该当前负载与该负载变化量相加而得。3.根据权利要求2所述的用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，该计算单元组具有与该虚拟机械臂单元连接的负载变化曲线单元，及与该负载变化曲线单元连接的计算负载单元，其特征在于：在该步骤(H)包括：(H1)该负载变化曲线单元接收该第一扭力值、该零负载扭力值、该满负载扭力值，及该第二扭力值，以计算输出该负载变化量；及(H2)该计算负载单元接收该负载变化量而计算输出该估测负载值。4.根据权利要求3所述的用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，其特征在于：该步骤(H1)中，该负载变化曲线单元是通过该机械臂所能承受的最大负载值、该零负载扭力值，及该满负载扭力值计算出关节扭力变化曲线方程式，并将该第一扭力值与该第二扭力值输入至该关节扭力变化曲线方程式，以计算出该负载变化量。5.根据权利要求1所述的用于机械臂的负载估测重力补偿的方法，其特征在于：该机械臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：简嘉辉，陈正钦，侯荣富，
申请(专利权)人：上银科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71