[发明专利]一种基于动量观测器的闭环机械臂系统碰撞检测方法

说明书

本发明涉及一种闭环机械臂系统的碰撞检测方法，特别涉及一种基于动量观测器的闭环机械臂系统碰撞检测方法，属于机器人技术领域。本发明通过在闭环机械臂系统关节处布置运动传感器测量关节运动信息、布置六维力/力矩传感器测量每个闭环中任意至少一个关节处约束力和约束力矩，并基于动量观测器实现对闭环机械臂系统的碰撞识别和碰撞信息的实时检测。本发明的方法所需传感器均配置于关节处，装配简单、可靠性和灵活性高；本发明的方法无需关节角加速度信息或对高维时变质量特性矩阵求逆，碰撞信息观测结果精度高、时间延迟低；本发明的方法可通过改变观测器增益和碰撞判断阈值，调节观测器性能和检测灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种闭环机械臂系统的碰撞检测方法，特别涉及一种基于动量观测器的闭环机械臂系统碰撞检测方法，属于机器人技术领域。

背景技术

随着机器人技术的发展，机械臂的力控制在工业机器人、协作机器人、航天器在轨服务与操作等领域得到越来越多的发展和应用。要实现机械臂的力控制，实时获取系统中的接触碰撞信息是必不可少的一环。对于这一问题，现有解决方案仅涉及树形机械臂系统，其结构中无闭环约束，因此仅通过安装在关节处的传感器测量信息，即可识别外部碰撞的发生并解算碰撞引入各关节的广义碰撞力大小。此类仅在关节处配置传感器的方案具有装配简单、可靠性高的特点，然而对于闭环机械臂系统，目前尚无能够通过仅在关节处布置传感器即实现外部碰撞信息检测的方法。针对这一现状，本发明提出一种基于动量观测器且仅需在关节处布置传感器的闭环机械臂系统碰撞检测方法。

发明内容

为了克服现有闭环机械臂系统碰撞检测方式的不足，提供一种基于动量观测器的闭环机械臂系统碰撞检测方法；该方法基于所设计的动量观测器，仅在闭环机械臂系统关节处配置运动传感器和有限个六维力/力矩传感器，即可实现对闭环机械臂系统接触碰撞信息的实时获取，且配置六维力/力矩传感器的最小数量与闭环约束数量一致。

本发明的目的通过下述技术方案实现。

一种基于动量观测器的闭环机械臂系统碰撞检测方法，在闭环机械臂系统关节处配置运动传感器用于测量各关节转角、角速度大小；在闭环约束任意至少一个关节处配置六维力/力矩传感器，用于测量闭环约束力、约束力矩大小。根据第一类拉格朗日方程理论得到闭环机械臂系统的动力学模型。以该动力学模型为基础，设计动量观测器用于观测各关节广义碰撞力。将六维力/力矩传感器测量的闭环约束力及约束力矩、运动传感器测量的关节转角及转角速度和利用驱动电机电流估算的输入系统的主动力信息代入所设计的动量观测器，并根据闭环机械臂系统内、外部干扰因素和控制精度需求设计观测阈值，则可通过该观测器输出进行碰撞检测，并获取实际碰撞引入各关节的广义碰撞力。

所述六维力/力矩传感器配置方法中，所选择的配置关节可根据具体结构确定，但需保证能够在每一闭环约束中至少配置一个。

一种基于动量观测器的闭环机械臂系统碰撞检测方法，具体步骤为：

步骤一：在闭环机械臂系统中配置运动传感器，所述运动传感器用于采集关节的转角及转角速度在闭环机械臂系统中配置六维力/力矩传感器，所述六维力/力矩传感器用于采集每一闭环约束中任意至少一个关节处作用的约束力和约束力矩大小，记为

步骤二：建立闭环机械臂系统的动力学模型。

根据第一类拉格朗日方程理论得到闭环机械臂系统动力学模型：

其中，M(q)为系统的质量特性矩阵；q、为各关节处的转角、角速度、角加速度，即系统的广义坐标、广义速率以及广义加速度；A(q)、分别为系统中六维力/力矩传感器配置关节的约束雅各比矩阵及其导数；μ为拉格朗日乘子，实际物理意义为六维力/力矩传感器配置关节处对应的约束力和约束力矩；F^C、F^gc、g(q)分别为驱动机构输入对各关节的广义主动力、碰撞引入各关节的广义碰撞力、各体运动耦合产生的广义惯性力非线性项以及重力对各关节的广义力。