一种机器人碰撞检测方法技术

本发明专利技术公开了一种机器人碰撞检测方法

【技术实现步骤摘要】
一种机器人碰撞检测方法、系统及响应方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，特别涉及一种机器人碰撞检测方法
、
系统及响应方法
。

技术介绍

[0002]目前，机器人在汽车制造业
、
食品
、
新能源
3C
等领域得到越来越多的应用
。
机器人的操作空间从已知环境空间，逐步拓展到了复杂多变的环境空间中
。
在这些应用环境中，由于外界环境情况复杂并且机器人难以获得未知的环境信息，导致机器人与外界环境产生不可避免的碰撞
。
在这种情况下，机器人可能会对周围的物体
、
人类甚至机器人本身造成巨大损害
。
因此对机器人作业的安全性有了更高的要求
。
[0003]为了保障机器人作业中的安全性，机器人应能够准确地
、
快速地检测物理碰撞
。
当机器人与环境发生碰撞之后应能够迅速检测并响应，进行自我保护
。
[0004]对于该问题，目前业内针对碰撞检测的方法主要分为外部传感器检测碰撞方法和无外部传感器检测方法
。
外部传感器检测碰撞的方法主要是借助力传感器，机器人可以直接检测碰撞力的大小，但是力传感器价格通常较高，对于现有的机器人而言，改进机械结构安装力传感器过程复杂而且成本较高，因此，碰撞检测最有效的方法就是利用机器人的本体传感器和动力学模型实现碰撞检测，目前业内最常见的为基于广义动量的碰撞检测方法，但是这种方法受建模误差以及外界噪声影响较大，往往需要提高阈值来减小误判，这样就降低了碰撞检测的灵敏度
。
[0005]此外对于碰撞检测之后的响应策略，都是简单的基于一种碰撞反应策略，不能够很好适用于目前机器人在分拣物料过程中的运动特性
。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种机器人碰撞检测方法
、
系统及响应方法
。
[0007]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
[0008]一种机器人碰撞检测方法，结合机器人的本体结构参数
、
各部件惯量及重心，利用虚功原理构建机器人动力学方程；根据机器人动力学方程以及机器人关节工作路径点的位置
、
速度
、
加速度数据，求得关节驱动力矩；由机器人动力学方程构建基于广义动量的扩张状态观测器，由扩张状态观测器求得机器人系统的关节扰动力矩；设置扰动力矩阈值，当求得的关节扰动力矩超过阈值范围时，判断机器人与外界发生碰撞
。
[0009]进一步地，该方法包括如下步骤：
[0010]步骤一，构建机器人动力学方程如下：
[0011][0012]式中：
[0013]θ
为关节角位移；
[0014]为关节角速度；
[0015]为关节角加速度；
[0016]M(
θ
)
为惯性矩阵；
[0017]为科氏力和离心力矩阵；
[0018]G(
θ
)
为重力项；
[0019]τ
为关节驱动力矩；
[0020]τ
d
为关节受到的扰动力矩；
[0021]步骤二，设系统的广义动量为
p
，设将系统的广义动量对时间求导，则有：
[0022][0023]步骤三，将广义动量的一阶导数与动力学方程相结合，构建基于广义动量的扩张状态观测器，由扩张状态观测器得到关节扰动力矩的估计值
[0024]步骤四，设置关节扰动力矩的阈值，当求得的超过阈值范围时，判断为机器人与外界发生碰撞
。
[0025]进一步地，步骤三包括如下分步骤：
[0026]步骤
A1
，将广义动量的一阶导数代入到机器人动力学方程中，则有：
[0027][0028]步骤
A2
，构建如下基于广义动量的扩张状态观测器：
[0029][0030]其中：
[0031][0031]为估计的系统广义动量；
[0032]K
p1
＝
diag[k
p11
,k
p12
,k
p13
]，
K
p2
＝
[k
p21
,k
p22
,k
p23
]且有
k
p1i
>0
，
k
p2i
>0
，
i
＝
1,2
；
[0033]式中：
[0034]为估计的动量值的导数；
[0035]z
p2
为估计的外部碰撞力矩；
[0036]为估计的外部碰撞力矩的导数；
[0037]K
p1
为观测器增益的对角矩阵；
[0038]K
p2
为观测器增益的对角矩阵；
[0039]e
p
为估计的系统广义动量误差；
[0040]α
p1
为观测器非线性函数
fal
的幂次项；
[0041]α
p2
为观测器非线性函数
fal
的幂次项；
[0042]β
p1
为对应的
fal
函数的分段误差，与采样周期相同；
[0043]β
p2
为对应的
fal
函数的分段误差，与采样周期相同；
[0044]k
p11
为观测器增益的对角矩阵主对角线第一行元素值；
[0045]k
p12
为观测器增益的对角矩阵主对角线第二行元素值；
[0046]k
p13
为观测器增益的对角矩阵主对角线第三行元素值；
[0047]k
p21
为观测器增益的对角矩阵主对角线第一行元素值；
[0048]k
p22
为观测器增益的对角矩阵主对角线第二行元素值；
[0049]k
p23
为观测器增益的对角矩阵主对角线第三行元素值；
[0050]步骤
A3
，由下式求得关节扰动力矩的估计值
[0051][0052]进一步地，构建机器人动力学方程之前还包括如下步骤：利用三次多项式或五次多项式进行机器人轨迹规划，得到机器人关节工作路径上一系列点的位置
、
速度
、
加速度数据
。
[0053]进一步地，设置碰撞检测的阈值时，选择关节最大输入力矩的
10
％作为关节扰动力矩的阈值
。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种机器人碰撞检测方法，其特征在于，结合机器人的本体结构参数
、
各部件惯量及重心，利用虚功原理构建机器人动力学方程；根据机器人动力学方程以及机器人关节工作路径点的位置
、
速度
、
加速度数据，求得关节驱动力矩；由机器人动力学方程构建基于广义动量的扩张状态观测器，由扩张状态观测器求得机器人系统的关节扰动力矩；设置扰动力矩阈值，当求得的关节扰动力矩超过阈值范围时，判断机器人与外界发生碰撞
。2.
根据权利要求1所述的机器人碰撞检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一，构建机器人动力学方程如下：式中：
θ
为关节角位移；为关节角速度；为关节角加速度；
M(
θ
)
为惯性矩阵；为科氏力和离心力矩阵；
G(
θ
)
为重力项；
τ
为关节驱动力矩；
τ
d
为关节受到的扰动力矩；步骤二，设系统的广义动量为
p
，设将系统的广义动量对时间求导，则有：步骤三，将广义动量的一阶导数与动力学方程相结合，构建基于广义动量的扩张状态观测器，由扩张状态观测器得到关节扰动力矩的估计值步骤四，设置关节扰动力矩的阈值，当求得的超过阈值范围时，判断为机器人与外界发生碰撞
。3.
根据权利要求2所述的机器人碰撞检测方法，其特征在于，步骤三包括如下分步骤：步骤
A1
，将广义动量的一阶导数代入到机器人动力学方程中，则有：步骤
A2
，构建如下基于广义动量的扩张状态观测器：其中：其中：为估计的系统广义动量；
K
p1
＝
diag[k
p11
,k
p12
,k
p13
]
，
K
p2
＝
[k
p21
,k
p22
,k
p23
]
且有
k
p1i
>0
，
k
p2i
>0
，
i
＝
1,2
；式中：为估计的动量值的导数；
z
p2
为估计的外部碰撞力矩；
为估计的外部碰撞力矩的导数；
K
p1
为观测器增益的对角矩阵；
K
p2
为观测器增益的对角矩阵；
e
p
为估计的系统广义动量误差；
α
p1
为观测器非线性函数
fal
的幂次项；
α
p2
为观测器非线性函数
fal
...

【专利技术属性】
技术研发人员：段云锐，梅江平，宁圃萱，魏天霖，武倚帆，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：