一种六关节机器人的动力学参数辨识及碰撞检测方法技术

本发明专利技术公开了一种六关节机器人的动力学参数辨识及碰撞检测方法，涉及六关节机器人的动力学控制优化领域，包括如下步骤：通过机器人连杆参数建立改进的DH参数表以及关节动力学模型；对建立的动力学模型进行线性化，并整理待辨识的最小参数集；基于线性化后的所述动力学模型的观测矩阵，设定限制条件，设计出改进傅里叶级数形式的激励轨迹；驱动机器人按照激励轨迹运动，采集数据通过最小二乘辨识出动力学参数；根据辨识出的参数设计碰撞检测算子；选择合适的碰撞检测算子阈值来判断是否发生碰撞。辨识模型下的碰撞检测提高了机器人的安全性能，减小了碰撞的危害。

Dynamic parameter identification and collision detection of a six joint robot

【技术实现步骤摘要】
一种六关节机器人的动力学参数辨识及碰撞检测方法
本专利技术涉及六关节机器人的动力学控制优化领域，具体地，涉及六关节机器人的动力学参数辨识以及碰撞检测。
技术介绍
随着智能制造业的不断发展，工业机器人的应用范围越来越广。因此，工业界对机器人的要求也越来越高，不仅需要更快的速度、更高的精度，也需要机器人有更好的安全性能。机器人与周围环境、操作人员发生碰撞，会造成严重的安全事故。为保证安全，需要检测机器人运动过程是否发生碰撞，并通过相应的控制策略来降低风险，减小危害。目前，大多数的工业机器人采用外部传感器检测碰撞，通过在关节处安装力传感器或者全身覆盖感知皮肤，虽然能够检测到碰撞，但增加了系统成本与复杂性，没有用到机器人自身的传感器。设计基于机器人自身的关节位置和电流传感器，通过实际力矩和动力学模型估计的力矩之间的偏差是一种有效检测碰撞的方法。这样的方法需要机器人的精准动力学模型，并在估计力矩时需要通过速度微分得到加速度，这会引入噪声。机器人动力学参数的获取方法主要有解体测量法、CAD法以及整体辨识法。机器人结构复杂，解体测量法无法直接测量出所有参数；CAD方法忽略了机器人的装备误差，精度不高；整体辨识法不需要拆解机器人，也无需搭建专门的实验平台，过程方便，受到了广泛应用。但现有的辨识法存在参数辨识的精度不够和力矩预测的准确性不足的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述问题，提出一种六关节机器人的动力学参数辨识及无外部传感器的碰撞检测方法，以实现提高参数辨识精度和碰撞检测准确性的优点。为实现上述的目的，本专利技术实施采用的技术方案是：一种六关节机器人的动力学参数辨识以及碰撞检测，包括：步骤(1)通过机器人连杆参数建立改进的DH参数表以及关节动力学模型；步骤(2)对上述动力学模型进行线性化，并整理待辨识的最小参数集；步骤(3)基于线性化后的所述动力学模型的观测矩阵，设定限制条件，从而设计出改进傅里叶形式的激励轨迹；步骤(4)基于所述激励轨迹，通过最小二乘辨识出动力学参数；步骤(5)基于辨识出的动力学参数，设计碰撞检测算子；步骤(6)基于机器人自身位置和电流传感器的信号，选择合适的碰撞检测算子阈值来判断是否发生碰撞。优选的，所述步骤(1)中建立改进的DH参数表以及关节动力学模型，包括：根据机器人的几何机构，将每个连杆的坐标系建立在连杆的驱动端；由机器人的连杆坐标系图得到机器人的改进DH参数表，其中，每个连杆的参数定义如下：ai：沿Xi轴，从Zi移动到Zi+1的距离；αi：沿Xi轴，从Zi转动到Zi+1的角度；di：沿Zi轴，从Xi-1移动到Xi的距离；θi：沿Zi轴，从Xi-1转动到Xi的角度；根据六关节机器人结构，采用牛顿-欧拉法建立六关节机器人的动力学模型；n关节的机器人系统的动力学方程为：式(1)中，q为转角向量，其1、2阶导分别为角速度和角加速度向量，H(q)为是n阶机器人惯性矩阵，为哥氏力离心力矩阵，G(q)为重力向量，τ分别为摩擦、驱动力矩向量。优选的，所述步骤(2)中对动力学模型线性化整理待辨识的最小参数，包括：线性化之后的模型为：Y6×72φ72×1＝τ6×1(2)其中，每个连杆都包含12个动力学参数，Ixx,...Izz是6个主惯量矩，m是连杆的质量，x,y,z是连杆质心在连杆坐标系下的坐标，fc,fv是库伦摩擦和粘滞摩擦的系数，Y为观测矩阵，τ为输出力矩；根据几何关系，将机器人六关节的72个动力学参数简化为最小参数集，六关节机器人的关节二到关节六每个连杆的最小参数为Ixx,Ixy,Ixz,Iyz,Izz,mx,my,fc,fv，关节一连杆的最小参数为Izz,fc,fv。优选的，所述步骤(3)基于线性化后的所述动力学模型的观测矩阵，设定限制条件，设计出改进傅里叶形式的激励轨迹，观测矩阵为：限制条件为：min(F(YN))(7)优化目标为：其中，σmin(Y)表示矩阵的最小奇异值，λ表示权重。优选的，所述步骤(4)中通过最小二乘辨识出动力学参数为：优选的，所述步骤(5)和步骤(6)中通过设计碰撞检测算子和阈值来判断是否发生碰撞，设计的碰撞检测算子为：其中，P为机器人的广义动量，K为大于0的系数；设计的阈值为N,若|r|>N，则认为发生碰撞，否则无碰撞发生。本专利技术的技术方案具有以下的有益效果：(1)通过整体辨识法辨识机器人动力学参数更加方便、精准，从而降低了力矩预测的误差，提高了碰撞检测的准确性；(2)本专利技术提出的碰撞检测方法不需要额外的外部传感器，只需要机器人自身关节伺服电机的电流信号和编码器反馈的位置信号，简化了机器人的外部结构，节约了成本；(3)通过设计基于机器人广义动量的碰撞检测算子，避免了加速度的二次差分计算和动力学逆运算，提高了算法的检测性能。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术实施例所述的六关节动力学参数辨识与碰撞检测的流程图；图2为本专利技术实施例所述的六关节机器人连杆坐标系图；图3为本专利技术实施例所述的选择最小参数集的流程图；图4为本专利技术实施例所述的碰撞检测算子计算流程图；图5为本专利技术实施例所述的六关节机器人改进DH参数表。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，一种六关节机器人的动力学参数辨识以及碰撞检测方法，包括：S101:建立改进的DH参数表和关节动力学模型；S102:线性化动力学模型并整理出最小参数集；S103:设计激励轨迹，实验辨识动力学参数；S104:设计碰撞检测算子；S105:在线观测机器人输出力矩和动力学模型估计力矩的偏差；S106:设计阈值，根据碰撞检测算子判断是否发生碰撞。S101中建立改进的DH参数表和关节动力学模型具体为：根据机器人的几何机构，将每个连杆的坐标系建立在连杆的驱动端，可以得到图2的连杆坐标系图，图中省略Y轴。再由机器人的连杆坐标系图得到机器人的改进DH参数表，如图5所示。其中，每个连杆的参数定义如下：ai：沿Xi轴，从Zi移动到Zi+1的距离；αi：沿Xi轴，从Zi转动到Zi+1的角度；di：沿Zi轴，从Xi-1移动到Xi的距离；θi：沿Zi轴，从Xi-1转动到Xi的角度；根据六关节机器人结构，采用牛顿-欧拉法建立六关节机器人的动力学模型；n关节的机器人系统的动力学方程为：式中，q为转角向量，其1、2阶导分别为角速度和角加速度向量，H(q)为是n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六关节机器人的动力学参数辨识及碰撞检测方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)通过机器人连杆参数建立改进的DH参数表以及关节动力学模型；/n(2)对所述动力学模型进行线性化，并整理待辨识的最小参数集；/n(3)基于线性化后的所述动力学模型的观测矩阵，设定限制条件，设计出改进傅里叶级数形式的激励轨迹；/n(4)基于所述激励轨迹，通过最小二乘辨识出动力学参数；/n(5)基于辨识出的动力学参数，设计碰撞检测算子；/n(6)基于机器人自身位置和电流传感器的信号，选择合适的碰撞检测算子阈值来判断是否发生碰撞。/n

【技术特征摘要】
1.一种六关节机器人的动力学参数辨识及碰撞检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过机器人连杆参数建立改进的DH参数表以及关节动力学模型；
(2)对所述动力学模型进行线性化，并整理待辨识的最小参数集；
(3)基于线性化后的所述动力学模型的观测矩阵，设定限制条件，设计出改进傅里叶级数形式的激励轨迹；
(4)基于所述激励轨迹，通过最小二乘辨识出动力学参数；
(5)基于辨识出的动力学参数，设计碰撞检测算子；
(6)基于机器人自身位置和电流传感器的信号，选择合适的碰撞检测算子阈值来判断是否发生碰撞。


2.根据权利要求1所述的一种六关节机器人的动力学参数辨识及碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中建立改进的DH参数表以及关节动力学模型，包括：
根据机器人的几何机构，将每个连杆的坐标系建立在连杆的驱动端；
由机器人的连杆坐标系图得到机器人的改进DH参数表，其中，每个连杆的参数定义如下：
ai：沿Xi轴，从Zi移动到Zi+1的距离；
αi：沿Xi轴，从Zi转动到Zi+1的角度；
di：沿Zi轴，从Xi-1移动到Xi的距离；
θi：沿Zi轴，从Xi-1转动到Xi的角度；
根据六关节机器人结构，采用牛顿-欧拉法建立六关节机器人的动力学模型；
n关节的机器人系统的动力学方程为：



式(1)中，q为转角向量，其1、2阶导分别为角速度和角加速度向量，H(q)为是n阶机器人惯性矩阵，为哥氏力离心力矩阵，G(q)为重力向量，τ分别为摩擦、驱动力矩向量。


3.根据权利要求1所述的一种六关节机器人的动力学参数辨识及碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中对动力学模...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁野，白瑞林，李新玲，
申请(专利权)人：无锡砺成智能装备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32