协作机械臂及其运动控制方法、碰撞检测方法、控制系统技术方案

本申请提供了一种协作机械臂及其运动控制方法、碰撞检测方法、控制系统、工业机器人以及计算机存储介质。该运动控制方法包括：根据运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态；根据关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩；根据理论力矩，计算关节伺服电机的电流限制范围；控制输出给关节伺服电机的驱动电流不超出电流限制范围。上述方法可以利用关节理论运动状态以及各个关节伺服电机的理论力矩直接对各个关节的驱动电流进行限制，有效控制各个关节对外的输出力矩大小，减少协作机械臂在发生碰撞时产生的伤害，有效保护协作机械臂和人。臂和人。臂和人。

【技术实现步骤摘要】
协作机械臂及其运动控制方法、碰撞检测方法、控制系统


[0001]本申请涉及机器人控制
，特别是涉及一种协作机械臂及其运动控制方法、碰撞检测方法、控制系统、工业机器人以及计算机存储介质。

技术介绍

[0002]协作机械臂是指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人，其具有快速部署、人机协作安全等传统工业所不具有的优势。安全作为协作机械臂的主要特征与优势，表现在当与人或者环境发生碰撞时，协作机械臂要能够快速识别碰撞的信号并采取策略避免造成进一步的碰撞伤害。
[0003]目前的协作机械臂在运动过程中与障碍物发生碰撞后，会输出更大的电流继续驱动协作机械臂，以使协作机械臂能越过障碍物按预定的轨迹继续运动；而在电流从正常运动的电流值逐渐增加的期间，协作机械臂持续对障碍物施加力，直至电流达到一个较大的电流阈值，甚至该电流阈值为该关节的额定电流，或者检测到碰撞信号后，才会对电流限制，在这个过程中协作机械臂会对障碍物造成较大的损害；尤其是当障碍物是人的时候，协作机械臂会给人造成较大的伤害；同时，对协作机械臂本身也会带来不小的损害。

技术实现思路

[0004]本申请提供了一种协作机械臂及其运动控制方法、碰撞检测方法、控制系统、工业机器人以及计算机存储介质，主要解决的技术问题是如何限制协作机械臂输出的驱动电流以及输出力矩，减小协作机械臂在发生碰撞时产生的伤害。
[0005]为解决上述技术问题，本申请提供了一种协作机械臂的运动控制方法，包括：
[0006]根据所述运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态；
[0007]根据所述关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩；
[0008]根据所述理论力矩，计算所述关节伺服电机的电流限制范围；
[0009]控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围。
[0010]为解决上述技术问题，本申请提供了另一种协作机械臂的运动控制方法，所述运动控制方法应用于伺服控制器，包括：
[0011]根据所述运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态；
[0012]根据所述关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩；
[0013]将所述理论力矩发送给伺服驱动器；
[0014]其中，所述理论力矩用于供所述伺服驱动器计算关节伺服电机的电流限制范围，并控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出电流限制范围。
[0015]为解决上述技术问题，本申请提供了另一种协作机械臂的运动控制方法，所述运动控制方法应用于任意一个关节的伺服驱动器，包括：
[0016]接收关节伺服电机的理论力矩；
[0017]根据所述理论力矩，计算电流限制范围；
[0018]控制输出给关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围。
[0019]为解决上述技术问题，本申请提供了一种协作机械臂的运动控制系统，包括上位机、伺服控制器、多个关节的伺服驱动器以及多个关节伺服电机；
[0020]所述上位机与所述伺服控制器通信连接，所述伺服控制器分别与各个所述伺服驱动器通信连接，各个所述伺服驱动器用于驱动对应的关节伺服电机；
[0021]所述协作机械臂的运动控制系统，在工作时配置有运动控制功能，所述运动控制功能包括：
[0022]如上述的运动控制方法。
[0023]为解决上述技术问题，本申请提供了一种协作机械臂的碰撞检测方法，所述碰撞检测方法包括：
[0024]根据运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态；
[0025]根据所述关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩和关节伺服电机的电机理论运动状态；
[0026]根据所述理论力矩，计算所述关节伺服电机的电流限制范围；
[0027]控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围；
[0028]获取所述关节伺服电机的实际运动状态；
[0029]根据所述实际运动状态和所述电机理论运动状态，计算跟踪误差；
[0030]当所述跟踪误差超过碰撞阈值时，判定所述协作机械臂发生碰撞。
[0031]为解决上述技术问题，本申请提供了另一种协作机械臂的碰撞检测方法，所述碰撞检测方法应用于一种伺服控制器，包括：
[0032]根据运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态；
[0033]根据所述关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩和电机理论运动状态；
[0034]将所述理论力矩和所述电机理论运动状态发送给对应的伺服驱动器；
[0035]获取所述关节伺服电机的实际运动状态；
[0036]根据所述实际运动状态和所述电机理论运动状态，计算跟踪误差；
[0037]当所述跟踪误差超过碰撞阈值时，判定所述协作机械臂发生碰撞，并发送停机指令给所述伺服驱动器；
[0038]其中，所述理论力矩用于所述伺服驱动器计算所述关节伺服电机的电流限制范围，并控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围。
[0039]为解决上述技术问题，本申请提供了另一种协作机械臂的碰撞检测方法，所述碰撞检测方法应用于任意一个关节的伺服驱动器，包括：
[0040]接收关节伺服电机的理论力矩和电机理论运动状态；
[0041]根据所述理论力矩，计算电流限制范围；
[0042]控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围；
[0043]接收所述关节伺服电机的实际运动状态；
[0044]根据所述关节伺服电机的电机理论运动状态和实际运动状态，计算跟踪误差；
[0045]当所述跟踪误差超过碰撞阈值时，判定所在关节发生碰撞。
[0046]为解决上述技术问题，本申请提供了一种协作机械臂的控制系统，包括上位机、伺
服控制器、多个关节的伺服驱动器以及多个关节伺服电机；
[0047]所述上位机与所述伺服控制器通信连接，所述伺服控制器分别与各个所述关节的伺服驱动器通信连接，各个所述关节的伺服驱动器用于驱动对应的关节伺服电机；
[0048]所述协作机械臂的控制系统，在工作时配置有碰撞检测功能，所述碰撞检测功能包括：
[0049]如上述的碰撞检测方法。
[0050]为解决上述技术问题，本申请还提供了一种协作机械臂，所述协作机械臂包括处理器以及与所述处理器耦接的存储器；
[0051]其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现上述的运动控制方法和/或上述的碰撞检测方法。
[0052]为解决上述技术问题，本申请还提供了一种工业机器人，所述工业机器人包括处理器以及与所述处理器耦接的存储器；
[0053]其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现上述的运动控制方法和/或上述的碰撞检测方法。
[0054]为解决上述技术问题，本申请还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质用于存储程序数据，所述程序数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种协作机械臂的运动控制方法，其特征在于，包括：根据运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态；根据所述关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩；根据所述理论力矩，计算所述关节伺服电机的电流限制范围；控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围。2.根据权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，所述根据所述理论力矩，计算所述关节伺服电机的电流限制范围，包括：根据所述理论力矩以及所述关节伺服电机的调节力矩阈值，计算所述电流限制范围。3.根据权利要求2所述的运动控制方法，其特征在于，所述电流限制范围包括电流输出约束上限和电流输出约束下限；所述控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围，包括：当所述给所述关节伺服电机的驱动电流超过所述电流输出约束上限时，按照所述电流输出约束上限对所述驱动电流进行调整，得到调整后的驱动电流；当所述给所述关节伺服电机的驱动电流低于所述电流输出约束下限时，按照所述电流输出约束下限对所述驱动电流进行调整，得到调整后的驱动电流。4.根据权利要求3所述的运动控制方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述理论力矩与所述调节力矩阈值确定力矩约束上限和力矩约束下限；基于所述力矩约束上限与预设的转矩常数计算所述电流输出约束上限；基于所述力矩约束下限与所述预设的转矩常数计算所述电流输出约束下限。5.根据权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，所述根据运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态之后，所述运动控制方法还包括：根据所述关节理论运动状态计算所述关节伺服电机的电机理论运动状态；将所述电机理论运动状态输入对应的PID控制模块，计算所述关节伺服电机的驱动电流。6.根据权利要求5所述的运动控制方法，其特征在于，所述电机理论运动状态包括理论转角状态，所述PID控制模块为位置式闭环PID控制模块。7.根据权利要求6所述的运动控制方法，其特征在于，所述控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围，包括：获取所述关节伺服电机的实际转角；根据所述电机理论运动状态，获取当前时刻对应的所述关节伺服电机的理论转角；将所述实际转角和所述理论转角输入到所述PID控制模块或将所述实际转角与所述理论转角的差值输入到所述PID控制模块，通过所述PID控制模块对输出给所述关节伺服电机的驱动电流进行调整，控制调整后的驱动电流不超出所述电流限制范围。8.根据权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，所述根据所述关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩，包括；将所述关节理论运动状态输入预设的逆动力学模型；利用所述逆动力学模型对所述关节理论运动状态进行运算，得到关节理论力矩；
获取所述关节的减速比；根据所述关节理论力矩和所述减速比，计算所述关节伺服电机的理论力矩；其中，所述关节理论运动状态包括关节转角、关节速度以及关节加速度。9.根据权利要求8所述的运动控制方法，其特征在于，所述利用所述逆动力学模型对所述关节理论运动状态进行运算，得到关节理论力矩，包括：利用所述逆动力学模型中的机器人惯量和加速度，获取惯量力矩；利用所述逆动力学模型中的科氏力与离心力模型和速度，获取科氏力与离心力力矩；利用所述逆动力学模型中的重力模型和关节转角，获取重力力矩；利用所述逆动力学模型中的摩擦力模型和关节速度，获取摩擦力力矩；将所述惯量力矩、所述科氏力与离心力力矩、所述重力力矩以及所述摩擦力力矩相加，得到所述关节理论力矩。10.根据权利要求9所述的运动控制方法，其特征在于，所述利用所述逆动力学模型中的摩擦力模型和关节速度，获取摩擦力力矩，包括：利用所述摩擦力模型中的粘性摩擦函数和库伦摩擦函数对所述关节速度进行处理，得到所述摩擦力力矩。11.根据权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，所述根据运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态之前，所述运动控制方法还包括：接收运动控制指令，解析所述运动控制指令，确定所述运动控制任务。12.一种协作机械臂的运动控制方法，其特征在于，所述运动控制方法应用于伺服控制器，包括：根据所述运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态；根据所述关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩；将所述理论力矩发送给伺服驱动器；其中，所述理论力矩用于供所述伺服驱动器计算所述关节伺服电机的电流限制范围，并控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围。13.根据权利要求12所述的运动控制方法，其特征在于，所述将所述理论力矩发送给伺服驱动器，包括：将所述理论力矩和所述关节伺服电机的调节力矩阈值发送给所述伺服驱动器，用于供所述伺服驱动器计算所述电流限制范围，并控制输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围。14.根据权利要求12所述的运动控制方法，其特征在于，所述根据所述关节理论运动状态，计算关节伺服电机的理论力矩，包括：将所述关节理论运动状态输入预设的逆动力学模型；利用所述逆动力学模型对所述关节理论运动状态进行运算，得到关节理论力矩；获取所述关节的减速比；根据所述关节理论力矩和所述减速比，计算所述关节伺服电机的理论力矩；其中，所述关节理论运动状态包括关节转角、关节速度以及关节加速度。
15.根据权利要求14所述的运动控制方法，其特征在于，所述利用所述逆动力学模型对所述关节理论运动状态进行运算，得到关节理论力矩，包括：利用所述逆动力学模型中的机器人惯量和加速度，获取惯量力矩；利用所述逆动力学模型中的科氏力与离心力模型和速度，获取科氏力与离心力力矩；利用所述逆动力学模型中的重力模型和关节转角，获取重力力矩；利用所述逆动力学模型中的摩擦力模型和关节速度，获取摩擦力力矩；将所述惯量力矩向量、所述科氏力与离心力力矩向量、所述重力力矩向量以及所述摩擦力力矩相加，得到所述关节理论力矩。16.根据权利要求15所述的运动控制方法，其特征在于，所述利用所述逆动力学模型中的摩擦力模型和关节速度，获取摩擦力力矩，包括：利用所述摩擦力模型中的粘性摩擦函数和库伦摩擦函数对所述关节速度进行处理，得到所述摩擦力力矩。17.根据权利要求12所述的运动控制方法，其特征在于，所述根据所述运动控制任务，计算关节的关节理论运动状态之前，所述运动控制方法还包括：接收运动控制指令，解析所述运动控制指令，确定所述运动控制任务。18.根据权利要求12所述的运动控制方法，其特征在于，还包括：根据所述关节理论运动状态，计算所述关节伺服电机的电机理论运动状态，并将所述电机理论运动状态发送给所述伺服驱动器；或者，将所述关节理论运动状态发送给所述伺服驱动器，以使所述伺服驱动器根据所述关节理论运动状态计算得到所述电机理论运动状态；其中，所述电机理论运动状态用于输入PID控制模块计算所述关节伺服电机的驱动电流。19.一种协作机械臂的运动控制方法，其特征在于，所述运动控制方法应用于任意一个关节的伺服驱动器，包括：接收关节伺服电机的理论力矩；根据所述理论力矩，计算电流限制范围；控制输出给关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围。20.根据权利要求19所述的运动控制方法，其特征在于，所述根据所述理论力矩，计算电流限制范围，包括：根据所述理论力矩和调节力矩阈值，计算所述电流限制范围；其中，所述调节力矩阈值由伺服控制器发送。21.根据权利要求20所述的运动控制方法，其特征在于，所述运动控制方法，还包括：接收所述关节伺服电机的电机理论运动状态，所述电机理论运动状态由所述伺服控制器根据关节理论运动状态计算得到；或者，接收所述关节的关节理论运动状态，根据所述关节理论运动状态计算电机理论运动状态；所述控制输出给关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围，包括：
将所述电机理论运动状态输入PID控制模块，计算所述关节伺服电机的驱动电流；根据所述电流限制范围对所述驱动电流进行约束，以使输出给所述关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围。22.根据权利要求21所述的运动控制方法，其特征在于，所述运动控制方法还包括：获取所述关节伺服电机的实际转角；根据所述电机理论运动状态，获取当前时刻对应的所述关节伺服电机的理论转角；将所述实际转角和所述理论转角输入到所述PID控制模块或将所述实际转角与所述理论转角的差值输入到所述PID控制模块，通过所述PID控制模块对输出给所述关节伺服电机的驱动电流进行调整，控制调整后的驱动电流不超出所述电流限制范围。23.根据权利要求20所述的运动控制方法，其特征在于，所述电流限制范围包括电流输出约束上限和电流输出约束下限；所述控制输出给关节伺服电机的驱动电流不超出所述电流限制范围，包括：当所述给关节伺服电机的驱动电流超过所述电流输出约...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄睿，郎需林，姜宇，邓少敏，刘毅，林壮，
申请(专利权)人：深圳市越疆科技有限公司，
类型：发明
国别省市：