[发明专利]一种基于电机电流测量的3P3R机械臂末端力估计方法

说明书

本发明提出一种基于电机电流测量的3P3R机械臂末端力估计方法，属于机器人自动化装配技术领域。该方法首先在3P3R机械臂每个关节的驱动电机上安装一个电流采集模块，每个电流采集模块实时采集对应关节驱动电机的电流值。在任一时刻，根据采集得到的每个驱动电机电流值计算得到该时刻对应关节的电机转矩，进而得到该时刻机械臂每个移动关节所受推力和每个转动关节输出转矩，从而获取该时刻机械臂原始末端力。利用时间延时估计算法和同时输入状态估计算法去除原始末端力的过程干扰项，最终得到该时刻3P3R机械臂末端力的估计值。本发明简便易操作，可以得到精度较高的估计结果，具有很高的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于电机电流测量的3P3R机械臂末端力估计方法，属于机器人自动化装配技术领域。

背景技术

在当前制造领域的发展背景下，产品生产的效率和精度要求逐渐提高，但面对当前制造领域的生产技术相对落后、自动化程度不高的情况下，机器人作业是解决该发展问题的一项行之有效的措施。相比于人工作业，机器人显然具有高效率，高适用性，能在危险区域作业的优点。机器人技术的发展是解决当前生产力落后的重要措施，而制约着机器人技术发展的其中一项关键因素就是机器人用于真实作业时，其精度有时往往达不到要求。机器人作业过程是机器人带动安装在末端的工具完成各种指令动作，因此对机器人末端力的估计是保证机器人高精度完成任务的一项重要指标。这就需要更加精确的机器人末端力的估计方法。

在近年来的力估计控制算法的研究中，Choi等人在其论文“A novel method forestimating external force:Simulation study with a 4-DOFrobot manipulator.”中提出一种通过在机器人末端安装力矩传感器测量关节力矩，利用期望的机器人模型并结合时间延时估计(TDE)和同时输入状态估计(SISE)估计机器人末端力的方法，在论文的仿真实验中作者引入高斯噪声，库仑摩擦等充分模拟现实情况，结果验证该算法可行，但限于力矩传感器的精度，测量到的机械臂末端力的精度在实际机器人作业过程中往往达不到要求。因此对于探究更有效的机器人末端力估计方法，保证其在真实作业过程中的精度要求是亟需解决的问题。

3P3R机械臂，是由3个移动关节和3个转动关节组成的机械臂，是在大工件产品作业过程中常用到的一种机器人产品。其模型简图如附图图1所示，图中矩形关节代表移动关节，由空间z轴从下向上，关节1，2，3为移动关节，其中移动关节1沿x轴移动，移动关节2沿y轴移动，移动关节3沿z轴移动，z_i代表第i个关节的z轴，d_i代表第i个移动关节的可以移动的距离。柱状关节代表转动关节，从空间x轴方向，分别为关节4，5，6,其中关节4绕x轴转动，关节5绕y轴转动，关节6绕z轴转动。，l_ix,l_iy,l_iz代表零点位置时第i个关节到第i+1个关节的x,y,z方向的连杆长度。机械臂的移动关节，结构采用丝杠螺母组合，关节驱动电机与丝杠固结，其余关节部分与螺母固结，变丝杠转动为螺母的移动。转动关节结构为关节上安装的驱动电机带动关节转动。3P3R机械臂在工作时，每个关节上安装的驱动电机输出的转矩经过各对应的传动机构输出对应关节动作，从而由各个关节连接而成的3P3R机械臂可以完成各种作业动作。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于电机电流测量的3P3R机械臂末端力估计方法。本发明方法通过在机械臂各关节的驱动电机上放置电流采集模块采集驱动电机的电流值，不需要力矩传感器即可计算出机械臂各关节力矩值，从而计算得到机械臂的末端力，方法简便易操作，并且可以得到精度较高的估计结果，具有很高的实用价值。

本发明提出一种基于电机电流测量的3P3R机械臂末端力估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在3P3R机械臂每个关节的驱动电机上安装一个电流采集模块，共放置6个电流采集模块，令每个电流采集模块实时采集对应关节驱动电机的电流值；