机器人碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统技术方案

本发明专利技术的公开了一种机器人碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统，其中，碰撞检测系统包含：运动指令模块，用于对机器人进行运动控制；动力学模块，根据机器人的特性，对机器人进行动力学建模和系统辨识，求解动力学方程；状态反馈模块，用于获取机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据；碰撞预测模块，用于根据机器人动力学方程、机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据，预测碰撞外力、力作用点及碰撞类型。本发明专利技术基于电流环反馈的碰撞检测可降低机器人结构的复杂度和成本，通过检测机器人工作时是否与用户发生碰撞，有效保障机器人与用户协同工作时用户的安全。

【技术实现步骤摘要】
机器人碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统
本专利技术涉及工业机器人控制
，具体涉及一种机器人碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统。
技术介绍
目前，机器人需要与用户合作完成很多任务，用户会经常性地进入机器人的工作范围。在这类任务中，机器人需能检测是否与用户发生了碰撞，并采用合适的策略消除碰撞，以保障用户的安全。经检索发现，公开号为CN103192413A的中国专利文献公开了一种无传感器的机器人碰撞检测保护装置及方法，可在无力传感器的情况下，检测机器人是否与用户发生碰撞。当碰撞发生时，控制器使机器人停止运动以消除碰撞，但该装置存在一些不足：无法区分碰撞的类型；碰撞能量释放不够迅速；无法适应负载的变化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种机器人碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统，基于电流环反馈的碰撞检测可降低机器人结构的复杂度和成本，通过检测机器人工作时是否与用户发生碰撞，有效保障机器人与用户协同工作时用户的安全。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种机器人碰撞检测系统，适用于机器人，所述机器人包含若干个关节，每一关节位置设置一电机，其特点是，该碰撞检测系统包含：运动指令模块，用于对机器人进行运动控制；动力学模块，根据机器人的特性，对机器人进行动力学建模和系统辨识，求解动力学方程；状态反馈模块，用于获取机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据；碰撞预测模块，用于根据机器人动力学方程、机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据，预测碰撞外力、力作用点及碰撞类型。上述方案中，进一步包含一碰撞消除模块，所述碰撞消除模块根据预测的碰撞外力、力作用点及碰撞类型，获得对应的策略，并调整机器人的运动模式，以消除碰撞力。上述方案中，所述机器人为四轴工业机器人、六轴工业机器人及协作机器人中的一种。上述方案中，所述运动指令模块包含：模式设定单元，将机器人各轴设定为位置模式；软限位单元，设定机器人各轴位置、速度和力矩阈值；轨迹规划单元，根据机器人期望的始末点规划出机器人各关节的轨迹曲线。上述方案中，所述动力学模块包含：建模单元，根据机器人的特性，采用拉格朗日方法对机器人系统进行动力学模型建模，获得连杆动力学模型与关节摩擦力模型；辨识单元，根据连杆动力学模型，采用CAD方法辨识连杆参数；根据关节摩擦力模型，采用轨迹激励方法辨识摩擦力特性参数；计算单元，根据连杆参数和摩擦力特性参数，采用解析-符号法求解动力学方程。上述方案中，所述状态反馈模块包含：位置获取单元，根据电机尾部的绝对式编码器获得关节位置；速度获取单元，将关节位置进行差分获取关节速度；力矩获取单元，计算电机电流获取关节力矩。上述方案中，所述碰撞预测模块包含：负载计算单元，采用CAD方法确定负载信息；碰撞力估计单元，根据电流环反馈和动力学模型，通过冲量观测器估计机器人与用户的碰撞力矩；碰撞点检测单元，根据碰撞力矩，判断发生碰撞的连杆号；碰撞特征识别单元，通过频域分析方法求取机器人与用户接触力的频域特征；碰撞类型识别单元，根据频域特征，获取碰撞类型。上述方案中，所述负载信息包含负载的质量、质心和惯性张量参数。上述方案中，所述碰撞消除模块包含：减速运动单元，控制机器人的运动速度减慢；停止运动单元，控制机器人的运动停止；阻抗运动单元，控制机器人处于力控牵引模式，进行反向运动，以消除碰撞力。本专利技术实施例还提供了一种机器人碰撞检测方法，其特点是，包含以下步骤：步骤S1、根据机器人的特性，对机器人进行动力学建模和系统辨识，求解动力学方程；步骤S2、获取机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据；步骤S3、根据机器人动力学方程、机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据，预测碰撞外力、力作用点及碰撞类型。上述方案中，所述步骤S1之前还包含一步骤S0，所述步骤S0包含：将机器人各轴设定为位置模式；设定机器人各轴位置、速度和力矩阈值；根据机器人期望的始末点规划出机器人各关节的轨迹曲线。上述方案中，所述步骤S3之后还包含一步骤S4，所述步骤S4包含：根据预测的碰撞外力、力作用点及碰撞类型，获得对应的策略，并调整机器人的运动模式，以消除碰撞力。上述方案中，所述步骤S1包含：根据机器人的特性，采用拉格朗日方法对机器人系统进行动力学模型建模，获得连杆动力学模型与关节摩擦力模型；根据连杆动力学模型，采用CAD方法辨识连杆参数；根据关节摩擦力模型，采用轨迹激励方法辨识摩擦力特性参数；根据连杆参数和摩擦力特性参数，采用解析-符号法求解动力学方程。上述方案中，所述步骤S2包含：根据电机尾部的绝对式编码器获得关节位置；将关节位置进行差分获取关节速度；计算电机电流获取关节力矩。上述方案中，所述步骤S3包含：采用CAD方法确定负载信息；根据电流环反馈和动力学模型，通过冲量观测器估计机器人与用户的碰撞力矩；根据碰撞力矩，判断发生碰撞的连杆号；通过频域分析方法求取机器人与用户接触力的频域特征；根据频域特征，获取碰撞类型。上述方案中，所述负载信息包含负载的质量、质心和惯性张量参数。本专利技术实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。本专利技术实施例还提供了一种操作系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。本专利技术一种机器人碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统与现有技术相比具有以下优点：本专利技术结合电流环反馈、机器人动力学模型、冲量观测器及频域分析技术，预测机器人与用户之间是否发生碰撞，通过合适的策略消除碰撞，并保证机器人的工作效率；可区分碰撞类型，实际应用中机器人与用户的一些接触属于正常现象，若将这些也归入到碰撞中，会降低机器人的工作效率，本专利技术结合频域分析技术，可有效地识别机器人与用户间的正常接触与碰撞，提升机器人的工作效率；根据碰撞力选择不同的碰撞消除策略，根据机器人与用户间的碰撞力大小，控制器选择合适的碰撞消除策略，达到了既保护用户安全有保障机器人工作效率的目的；适应机器人负载的变化，本专利技术考虑了负载的动力学特性，当机器人末端负载改变时，只需通过CAD方法导出质量、质心和惯性张量参数。附图说明图1是根据本专利技术的一个实施例的机器人碰撞检测系统的结构示意图；图2是根据本专利技术的一个实施例的机器人碰撞检测方法的流程图；图3为本专利技术实施例的操作系统的一种硬件结构示意图。具体实施方式体现本专利技术特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本专利技术能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本专利技术的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本专利技术。本专利技术实施例提供了一种机器人碰撞检测系统。图1是根据本专利技术一实施例的机器人碰撞检测系统的结构示意图，如图1所示，该机器人碰撞检测系统，适用于机器人10，所述机器人10包含若干个关节，每一关节位置设置一电机，该碰撞检测系统包含：运动指令模块100，用于对机器人进行运动控制；动力学模块200，根据机器人的特性，对机器人进行动力学建模和系统辨识，求解动力学方程；状态反馈模块300，用于获取机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据；碰撞预测模块400，用于根据机器人动力学方程、机器人各关节的位置数据、速度数据和力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人碰撞检测系统，适用于机器人，所述机器人包含若干个关节，每一关节位置设置一电机，其特征在于，该碰撞检测系统包含：运动指令模块，用于对机器人进行运动控制；动力学模块，根据机器人的特性，对机器人进行动力学建模和系统辨识，求解动力学方程；状态反馈模块，用于获取机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据；碰撞预测模块，用于根据机器人动力学方程、机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据，预测碰撞外力、力作用点及碰撞类型。

【技术特征摘要】
1.一种机器人碰撞检测系统，适用于机器人，所述机器人包含若干个关节，每一关节位置设置一电机，其特征在于，该碰撞检测系统包含：运动指令模块，用于对机器人进行运动控制；动力学模块，根据机器人的特性，对机器人进行动力学建模和系统辨识，求解动力学方程；状态反馈模块，用于获取机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据；碰撞预测模块，用于根据机器人动力学方程、机器人各关节的位置数据、速度数据和力矩数据，预测碰撞外力、力作用点及碰撞类型。2.根据权利要求1所述的机器人碰撞检测系统，其特征在于，进一步包含一碰撞消除模块，所述碰撞消除模块根据预测的碰撞外力、力作用点及碰撞类型，获得对应的策略，并调整机器人的运动模式，以消除碰撞力。3.根据权利要求1所述的机器人碰撞检测系统，其特征在于，所述机器人为四轴工业机器人、六轴工业机器人及协作机器人中的一种。4.根据权利要求1所述的机器人碰撞检测系统，其特征在于，所述运动指令模块包含：模式设定单元，将机器人各轴设定为位置模式；软限位单元，设定机器人各轴位置、速度和力矩阈值；轨迹规划单元，根据机器人期望的始末点规划出机器人各关节的轨迹曲线。5.根据权利要求1所述的机器人碰撞检测系统，其特征在于，所述动力学模块包含：建模单元，根据机器人的特性，采用拉格朗日方法对机器人系统进行动力学模型建模，获得连杆动力学模型与关节摩擦力模型；辨识单元，根据连杆动力学模型，采用CAD方法辨识连杆参数；根据关节摩擦力模型，采用轨迹激励方法辨识摩擦力特性参数；计算单元，根据连杆参数和摩擦力特性参数，采用解析-符号法求解动力学方程。6.根据权利要求1所述的机器人碰撞检测系统，其特征在于，所述状态反馈模块包含：位置获取单元，根据电机尾部的绝对式编码器获得关节位置；速度获取单元，将关节位置进行差分获取关节速度；力矩获取单元，计算电机电流获取关节力矩。7.根据权利要求1所述的机器人碰撞检测系统，其特征在于，所述碰撞预测模块包含：负载计算单元，采用CAD方法确定负载信息；碰撞力估计单元，根据电流环反馈和动力学模型，通过冲量观测器估计机器人与用户的碰撞力矩；碰撞点检测单元，根据碰撞力矩，判断发生碰撞的连杆号；碰撞特征识别单元，通过频域分析方法求取机器人与用户接触力的频域特征；碰撞类型识别单元，根据频域特征，获取碰撞类型。8.根据权利要求7所述的机器人碰撞检测系统，其特征在于，所述负载信息包含负载的质量、质心和惯性张量参数。9.根据权利要求2所述的机器人碰撞检测系统，其特征在于，所述碰撞...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂凯，周昱明，李兴，夏银龙，赵辉，李运东，朱浩，刘勇，崔会东，吴小平，黄纪强，郭林鑫，王晨，
申请(专利权)人：上海达野智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31