[发明专利]一种基于外力观测器的机械臂安全碰撞策略

说明书

本发明公开一种基于外力观测器的机械臂安全碰撞策略，该机械臂安全碰撞策略首先建立外力干扰下的柔性关节机械臂动力学模型，并对其进行受力分析；采用双编码器的方法来采集电机端和连杆端的角度信息，该外力观测器里需要对关节位置与速度的测量，而不需要检测加速度或惯性矩阵的逆矩阵，即可反映电流输入；对于多自由度的机械臂，广义动量p和矢量η的计算需要递推或迭代方法，通过该观测器可以对外力矩或外力进行检测，并依据观测器的观测值设定了动态阈值，当观测值超过动态阈值的限定范围，控制系统即认为碰撞发生，为保证操作人员和机器人的安全，将立刻切换到碰停模式，实现在不同运动速度下的安全反应。

技术领域

本发明属于工业机器人控制领域，具体是一种基于外力观测器的机械臂安全碰撞策略，该碰撞策略不依赖外接传感器实现机器人与障碍物之间的碰撞检测，也没有采取视觉检测障碍物的位置，而是采用基于广义动量的外力观测器进行检测外力的方法，实现在不同运动速度下的安全反应。

背景技术

安全是实现“人机共融”需要解决的首要问题，当机器人在非结构化的环境中运行时，安全问题是首要关注的问题，根据机器人应用环境与功能需求，其安全性可分为两类：自身安全性和交互安全性。实际上，人机共融导致机器人作业空间存在不确定性障碍物，极易导致意外碰撞。

根据机器人应用环境与功能需求，其安全性可分为两类：自身安全性和交互安全性。机器人自身安全性指，运动过程中避免因突发情况造成机器人本体的损坏。该类安全性的研究对象集中在机器人本身，主要研究机器人尚未与周围环境发生接触碰撞前对自身安全的保护，如过载，过压，运动奇点等。交互安全性是指，机器人与周围环境发生交互，在机器人自身安全运行的基础上，还需要保证其在与周围物或人的交互过程中，不会对其造成伤害。交互安全性侧重于同时考虑机器人和人的安全性，是机器人即将或已经与周围人员发生接触后所采取的保护性措施。

工业机器人的安全协作主要分为碰撞检测阶段与安全机制阶段，碰撞检测包括主动避碰和被动避碰两方面，主动避碰指机器人绕过障碍物到达目标点的路径规划，该类避碰一般采用避碰算法和外部视觉传感器(一般多采用基于多传感器融合的避碰算法)，有利用视觉传感器来判断障碍物的图像信息，推算机器人与障碍物之间的相对位置，判定机械臂是否与障碍物发生干涉。被动避碰是指机器人在接触到障碍物后的碰撞检测以及采取的安全反应策略。对于被动避碰，现阶段多采用两种方法进行碰撞检测，其中一种方法就是借助力传感器来检测外力。有的机械臂应用关节力传感器，在其各关节安装力矩传感器，可通过关节力矩的观测值来推断机械臂是否发生碰撞；有的在机械臂末端安装手腕式力传感器进行外力的碰撞检测，利用敏感皮肤检测机器人全身的外力碰撞，利用外部传感器碰撞检测的灵敏度会有所提高，但其不足之处为：外部传感器的碰撞检测会增加机器人的成本及布线的复杂程度。

另一种是不采用外部传感器来采集机械臂各关节的电流与力矩变化，有将读取的机械臂关节电流转换为力矩，将位置编码器的数值带入理论动力学模型中求得所需此时刻的驱动力矩，理论力矩与实际测量力矩进行对比判断碰撞情况；该算法需要机械臂各关节的速度与加速度，由于引入噪声会造成检测不准确，Je H等通过将测量相邻时刻各关节的电流变化差值与设定好的阈值进行对比来检测外力干扰；但此方法容易在机械臂运动过程换向时造成误检测，还有通过对系统能量的变化进行碰撞检测，该法的弊端在于只能检测运动过程中的外力，当机械臂静止时，影响检测的准确性与实时性。有文献(Luca A D,Mattone R.Sensorless Robot Collision Detection and Hybrid Force/MotionControl[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.IEEE,2005:999-1004.)采取一种基于广义动量设计外力观测器，此法不引入加速度带来的噪声干扰，但是一阶低通滤波器的传递函数中增益太少不能保证准确性和快速性，此外只能检测持续缓慢的外力，不能检测高速急剧的外力。