一种人机协作机械臂的碰撞识别方法技术

本发明专利技术公开了一种人机协作机械臂的碰撞识别方法，该方法包括利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂执行期望轨迹规划动作；关节力矩命令值为关节力矩控制器在PD控制率作用下对期望关节力矩、期望关节转速和期望关节转角三个通道同时进行控制时所需要的力矩值；实时计算期望关节力矩与关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值，并根据此差值计算碰撞能量值，且当碰撞能量值大于设定阈值时按照五阶多项式曲线规划机械臂的关节转角以控制机械臂执行避让动作。因此，采用本发明专利技术提供的碰撞识别方法，能够准确快速识别出发生在工业机械臂本体上任意位置处的碰撞。

【技术实现步骤摘要】
一种人机协作机械臂的碰撞识别方法
本专利技术涉及机器人
，特别涉及一种人机协作机械臂的碰撞识别方法。
技术介绍
人机协作型机械臂是指能够与人在生产线上共享工作区域的机器人。人机协作机械臂除了具有一般工业机械臂的功能以外，还能够感知人与机械臂之间的物理接触，并对人机接触做出合适的响应，实现人与机械臂的协同作业，有助于扩大机械臂的应用范围，特别是应用于产品线更替周期短的应用场景中。由于人机协作工业机械臂与人共享工作区域，在机械臂与人之间可能发生碰撞。为了保障人的安全，机械臂必须对人与机械臂之间的碰撞作出快速、准确的识别。传统的工业机械臂的安全保障方法，是将机械臂与人的工作区域完全隔离，仅对机械臂末端的工具与工件之间的碰撞进行检测。这种碰撞检测方法，完全不具备识别发生在机械臂本体与人之间的碰撞，不能用于人机协作型机械臂。目前公开了一种基于力矩差检测的碰撞识别方法，该方法是根据运动轨迹实时地预测出各个关节的理论力矩值，实时计算关节理论值与关节实际采样力矩值之间的差值，当力矩差值超出碰撞阈值时视为发生碰撞，但是该方法没有考虑机器人关节的摩擦力矩，对碰撞的检测敏感度很低，只能够检测出能量较大的碰撞，不能用于人机协作型机械臂。另外，还公开了一种利用弹性碰撞机构和导电机构识别机器人碰撞的方法，此方法只能够对发生在特定位置的碰撞进行识别。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种人机协作机械臂的碰撞识别方法，能够准确快速识别出发生在工业机械臂本体上任意位置处的碰撞。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种人机协作机械臂的碰撞识别方法，所述碰撞识别方法包括：利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将所述关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂执行期望轨迹规划动作；所述关节力矩命令值为所述关节力矩控制器在PD控制率作用下对期望关节力矩、期望关节转速和期望关节转角三个通道同时进行控制时所需要的力矩值；所述期望关节力矩为采用机械臂关节逆动力学模型计算机械臂沿期望轨迹运动时的力矩；所述机械臂关节逆动力学模型为结合惯性力、科氏力、重力、以及非线性摩擦力的力矩计算模型；所述非线性摩擦力包括静摩擦力、线性粘性摩擦力和非线性粘性摩擦力；实时计算所述期望关节力矩与所述关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值；根据所述关节力矩偏差值计算碰撞能量值，并当所述碰撞能量值大于设定阈值时按照五阶多项式曲线规划机械臂的关节转角以控制机械臂执行避让动作；所述五阶多项式曲线为q(t)＝k0+k1t+k2t2+k3t3+k4t4+k5t5；其中，kj,j＝0,...,5为关节轨迹规划参数；所述关节轨迹规划参数的值是根据虚拟反弹策略方程组计算得到；所述虚拟反弹策略方程组为q+、分别为机械臂在发生碰撞时的关节转角、关节转速和关节角加速度，T为机械臂执行避让动作所需要的时间。可选的，所述碰撞识别方法还包括：当所述碰撞能量值小于或者等于所述设定阈值且当所述碰撞能量值小于或者等于所述设定阈值的持续时间大于设定时间时，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述非线性关节摩擦力模型参数包括：关节正转方向静摩擦力、关节反转方向静摩擦力、关节正转方向线性粘性摩擦系数、关节反转方向线性粘性摩擦系数、关节正转方向非线性粘性摩擦系数、关节反转方向非线性粘性摩擦系数。可选的，所述辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿，具体包括：，当机械臂的关节转角位置从静止状态朝正转方向转动且关节转速小于关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向静摩擦力；所述关节正转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于正转关节力矩偏差阈值时，采用对所述关节正转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节正转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿，其中，修正前的值；为修正后的值；为关节正转方向静摩擦力；为所述关节力矩偏差值的平均值；当机械臂的关节转角位置从静止状态朝反转方向转动且关节转速小于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向静摩擦力；所述关节反转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值，且所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值大于反转关节力矩偏差阈值时，采用对所述关节反转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节反转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；其中修正前的值；修正后的值；为关节反转方向静摩擦力；为所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值；当机械臂的关节转角位置从静止状态朝正转方向转动且关节转速大于等于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向线性粘性摩擦系数和关节正转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于所述正转关节力矩偏差阈值时，采用最小二乘方法计算所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数，并根据计算获取的所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数的计算公式为：其中，是更新后的关节正转方向线性粘性摩擦系数和更新后的关节正转方向非线性粘性摩擦系数；为关节转速；eτ为所述关节力矩偏差值；oldτf是由更新前的非线性关节摩擦力模型计算的克服机械臂非线性摩擦力的关节力矩分量；为关节正转方向静摩擦力在修正前的值；当机械臂的关节转角位置从静止状态朝反转方向转动且关节转速大于等于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向线性粘性摩擦系数和关节反转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于所述反转关节力矩偏差阈值时，采用最小二乘方法计算所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数，并根据计算获取的所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述关节反转方向线性粘性摩擦系数和所述关节反转方向非线性粘性摩擦系数的计算公式为：其中，和是更新后的关节正转方向线性粘性摩擦系数和更新后的关节正转方向非线性粘性摩擦系数；为关节反转方向静摩擦力在修正前的值。可选的，所述机械臂关节逆动力学模型为：τd＝τI+τC+τG+τf；其中，τd为期望关节力矩；为克服机械臂惯性力作用的关节力矩分量；M表示机械臂的质量矩阵；是关节角加速度；为克服机械臂科氏力作用的关节力矩分量；q为关节转角，由关节位置编码器测量得到；为关节转速，由关节速度编码器测量得到；C表示机械臂的科本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人机协作机械臂的碰撞识别方法，其特征在于，所述碰撞识别方法包括：利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将所述关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂执行期望轨迹规划动作；所述关节力矩命令值为所述关节力矩控制器在PD控制率作用下对期望关节力矩、期望关节转速和期望关节转角三个通道同时进行控制时所需要的力矩值；所述期望关节力矩为采用机械臂关节逆动力学模型计算机械臂沿期望轨迹运动时的力矩；所述机械臂关节逆动力学模型为结合惯性力、科氏力、重力、以及非线性摩擦力的力矩计算模型；所述非线性摩擦力包括静摩擦力、线性粘性摩擦力和非线性粘性摩擦力；实时计算所述期望关节力矩与所述关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值；根据所述关节力矩偏差值计算碰撞能量值，并当所述碰撞能量值大于设定阈值时按照五阶多项式曲线规划机械臂的关节转角以控制机械臂执行避让动作；所述五阶多项式曲线为q(t)＝k0+k1t+k2t2+k3t3+k4t4+k5t5；其中，kj,j＝0,...,5为关节轨迹规划参数；所述关节轨迹规划参数的值是根据虚拟反弹策略方程组计算得到；所述虚拟反弹策略方程组为

【技术特征摘要】
1.一种人机协作机械臂的碰撞识别方法，其特征在于，所述碰撞识别方法包括：利用基于PD控制的通用关节力矩控制器计算关节力矩命令值，并将所述关节力矩命令值发送至关节驱动器以控制机械臂执行期望轨迹规划动作；所述关节力矩命令值为所述关节力矩控制器在PD控制率作用下对期望关节力矩、期望关节转速和期望关节转角三个通道同时进行控制时所需要的力矩值；所述期望关节力矩为采用机械臂关节逆动力学模型计算机械臂沿期望轨迹运动时的力矩；所述机械臂关节逆动力学模型为结合惯性力、科氏力、重力、以及非线性摩擦力的力矩计算模型；所述非线性摩擦力包括静摩擦力、线性粘性摩擦力和非线性粘性摩擦力；实时计算所述期望关节力矩与所述关节力矩命令值之间的关节力矩偏差值；根据所述关节力矩偏差值计算碰撞能量值，并当所述碰撞能量值大于设定阈值时按照五阶多项式曲线规划机械臂的关节转角以控制机械臂执行避让动作；所述五阶多项式曲线为q(t)＝k0+k1t+k2t2+k3t3+k4t4+k5t5；其中，kj,j＝0,...,5为关节轨迹规划参数；所述关节轨迹规划参数的值是根据虚拟反弹策略方程组计算得到；所述虚拟反弹策略方程组为q+、分别为机械臂在发生碰撞时的关节转角、关节转速和关节角加速度，T为机械臂执行避让动作所需要的时间。2.根据权利要求1所述的碰撞识别方法，其特征在于，所述碰撞识别方法还包括：当所述碰撞能量值小于或者等于所述设定阈值且当所述碰撞能量值小于或者等于所述设定阈值的持续时间大于设定时间时，辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；所述非线性关节摩擦力模型参数包括：关节正转方向静摩擦力、关节反转方向静摩擦力、关节正转方向线性粘性摩擦系数、关节反转方向线性粘性摩擦系数、关节正转方向非线性粘性摩擦系数、关节反转方向非线性粘性摩擦系数。3.根据权利要求2所述的碰撞识别方法，其特征在于，所述辨识非线性关节摩擦力模型参数，并根据辨识确定的所述非线性关节摩擦力模型参数对应的补偿方式对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿，具体包括：，当机械臂的关节转角位置从静止状态朝正转方向转动且关节转速小于关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向静摩擦力；所述关节正转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关节力矩偏差值的平均值大于正转关节力矩偏差阈值时，采用对所述关节正转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节正转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿，其中，为修正前的值；为修正后的值；为关节正转方向静摩擦力；为所述关节力矩偏差值的平均值；当机械臂的关节转角位置从静止状态朝反转方向转动且关节转速小于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节反转方向静摩擦力；所述关节反转方向静摩擦力对应的补偿方式为采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值，且所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值大于反转关节力矩偏差阈值时，采用对所述关节反转方向静摩擦力进行修正，并根据修正后的关节反转方向静摩擦力对机械臂转动过程中的摩擦力进行补偿；其中为修正前的值；为修正后的值；为关节反转方向静摩擦力；为所述关节力矩偏差值的绝对值的平均值；当机械臂的关节转角位置从静止状态朝正转方向转动且关节转速大于等于所述关节转速阈值时，确定所述非线性关节摩擦力模型参数为关节正转方向线性粘性摩擦系数和关节正转方向非线性粘性摩擦系数；所述关节正转方向线性粘性摩擦系数和所述关节正转方向非线性粘性摩擦系数对应的补偿方式为：采集所述关节力矩偏差值，并计算所述关节力矩偏差值的平均值，且当所述关...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄思宇，孙翊，肖杰，董彦宏，于春明，
申请(专利权)人：上海优尼斯工业服务有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31