[发明专利]一种六轴工业机器人无传感器碰撞检测方法及系统

说明书

本发明公开了一种六轴工业机器人无传感器碰撞检测方法，采用基于力矩差的碰撞检测方法，在机器人实际运行过程中，测量各关节实际力矩，并对其进行滤波去噪处理，同时实时预测各关节的理论力矩，并将通过动力学模型计算得到的理论力矩经过滤波后与实际测量后并进行滤波去噪处理后的力矩进行差值计算，得到差值；通过在控制系统前向通路中增加PD控制，通过参数优化，以减小实际测量力矩与理论计算力矩之间的延迟时间，使得理论计算力矩与实际测量力矩之间差值误差更小，从而提高碰撞检测灵敏度和精度。

技术领域

本发明涉及六轴工业机器人运动学及动力学控制的研究领域，特别涉及一种六轴工业机器人无传感器碰撞检测方法及系统。

背景技术

在工业机器人发展过程中，由于工业机器人在使用过程中，需要进行人机协作，而在协作时可能因为某些原因发生人与机器人本体/外部环境与机器人本体发生碰撞，为了保证人员安全以及机器人本体不受损伤，因此碰撞检测对工业机器人的安全使用十分重要。常见的碰撞检测方法主要分为两大类。基于传感器的碰撞检测方法，例如：力矩传感器、智能皮肤传感器等；另外一种是基于动力学模型的无传感器碰撞检测方法，例如：基于动量差观测器的碰撞检测、基于总能量变化的碰撞检测以及基于力矩差观测器的碰撞检测，这种方法可以降低成本，但是由于建模误差以及实际测量值与理论计算值之间存在延迟等原因导致碰撞检测精度不高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种六轴工业机器人无传感器碰撞检测方法及系统，通过在外力矩观测器的前向通路中增加PD控制，以实现超前控制，适当调整参数，以缩短延迟时间，减小差值误差，提高碰撞检测精度，实时计算实际测量力矩值与理论计算值之间的差值，当力矩差值超过碰撞阈值时，即判断为发生碰撞。

本发明的第一目的在于提供一种六轴工业机器人无传感器碰撞检测方法。

本发明的第二目的在于提供一种六轴工业机器人无传感器碰撞检测系统。

本发明的第一目的通过以下的技术方案实现：

一种六轴工业机器人无传感器碰撞检测方法，包括以下步骤：

获取机器人的各关节的实际测量力矩，并进行预处理，得到预处理的实际测量力矩；

获取机器人的各关节的计算力矩；

将预处理的实际测量力矩与计算力矩进行差值处理，在控制系统的前向通路中增加PD控制，得到两者之间的差值；

将差值与碰撞检测阈值进行对比，若差值绝对值大于阈值时，则判定发生碰撞，进而控制机器人停止运动。

进一步地，所述获取机器人的各关节的实际测量力矩，具体为：通过实时测量驱动控制器电流，并通过力矩电流转换公式，计算得到实际测量力矩，其表达式为：

τ＝KI_m，

式中，K为电机输出力矩与电机电流之间的转换系数，I_m为电机的电流。

进一步地，所述进行预处理，具体为：对获得的各关节的实际测量力矩进行滤波去噪处理，得到去噪后的实际测量力矩τ_f。

进一步地，所述获取机器人的各关节的预测力矩，具体为：利用拉格朗日法建立六轴工业机器人动力学模型，并进行参数辨识，其动力学模型如下：

其中，为惯性矩阵，为科氏力与离心力，为重力项，为关节角速度，为关节角加速度；

通过机器人在既定的激励轨迹上做周期性运动，并在运动过程中采样出实际关节位置，通过数据处理得到力矩值τ_f以及关节位置关节角速度关节角加速度根据动力学建模所得到的模型，通过力矩观测器获得计算力矩