[发明专利]一种无传感器式协作机器人碰撞检测方法

说明书

本发明公开了无传感器式协作机器人碰撞检测方法，基于协作机器人广义动量构造关节外力矩观测器的方法，实现实时对外部碰撞力以及摩擦力作用在关节上的力矩的观测。通过机器人正常运行时的观测值进行关节摩擦力矩模型求解，使得观测值只受碰撞力的影响。当观测值超出预设的阈值时认为机器人发生碰撞，机器人立刻停止运行，避免在人机协作过程中对人体造成伤害。本发明无需在机器人外部安装额外的传感器，只需通过机器人控制系统获取机器人的关节驱动力矩，关节位置，关节角度即可以实现碰撞检测功能，避免了增加机器人结构的复杂性以及提高机器人制造成本。通过阈值的设定可以改变碰撞检测的灵敏度，保证人机协作安全。

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别是一种无传感器式协作机器人碰撞检测方法

背景技术

区别传统工业机器人需要用围栏将人与机器人隔离开，协作机器人的应用场合需要进行密切的人机协作，在人与机器人交互协作过程中难免会发生接触碰撞的情况，如果对此情况不进行检测以及合适处理，会对人身造成危害，无法保证人机协作安全。

常见的碰撞检测方法主要分为有传感器碰撞检测和无传感器碰撞检测，安装传感器的方法主要有在关节处安装力矩传感器以及在机器人本体上包裹一层敏感的“皮肤”传感器等，安装传感器不仅会增加机器人结构的复杂性还会提高机器人的制造成本。无传感器的碰撞检测主要是基于力矩差的碰撞检测，通过计算预测力矩和实际采集力矩差值来设定阈值，进而做出判断，但在计算预测力矩时候需要加速度，加速度的采集容易引入很大噪声。

中国专利申请CN104985598A公开了一种工业机器人碰撞检测方法，该方法通过运动轨迹实时预测关节理论驱动力矩，并实时地计算理论力矩与实际采样力矩之间的差值，当该差值超过预设阈值时候机器人停止运动。但在计算预测力矩时候需要引入关节加速度，机器人系统的关节加速度是通过关节速度差分得到的，当机器人速度存在抖动时候加速度非常容易引人很大的噪声，容易造成误检测。

中国专利申请CN103192413A公开了一种无传感器的机器人碰撞检测保护装置及方法，该方法主要是通过建立扰动观测器对外界干扰力进行观测并计算干扰力对机器人运动状态的影响，从而预测下一时刻的运动状态，通过预测的下一时刻的运动状态与事先规划的状态之间的差值与预设阈值作对比；若检测到差值超过预设阈值，则驱使机器人停止工作。该方法需要经过大量的碰撞试验才能通过神经网络方法使得扰动观测器输出的数值与实际的数值误差减小，因此该方法相对较为繁琐且误差难以控制。

中国专利申请CN102426391A公开了一种判断机器人运行是否发生碰撞的方法，该方法涉及两个变量,一个是机器人的位置误差,另一个是运行过程中电机的电流值。通过当前轨迹的位置误差和实时测量的电流值的合成一个碰撞标量,再与预设碰撞阈值比较来实现碰撞检测,但该方法需要在电机上安装电流传感器，这有可能需要改变机器人的安装结构，而且还需要增加机器人成本。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种适用于轻型协作机器人的任何工况，不改变机器人结构以及不增加机器人制造成本，保证人机协作安全的无传感器式协作机器人碰撞检测方法。

本发明是通过以下技术方案实现：

1.无传感器式协作机器人碰撞检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、采用拉格朗日方程建立机器人动力学模型，模型的表达式如下：

τe＝τc+τf