[发明专利]一种基于机器人模型的机器人接触力观测系统

说明书

本发明公开了一种基于机器人模型的机器人接触力观测系统。系统由一个机器人控制器、一个工业机械臂、和上位机控制系统组成。此方法包括以下步骤：(1)设计出工业机械臂各关节的运动轨迹，使得机器人的动力学参数能够被识别出；(2)命令机器人按照(1)中设计的参考轨迹进行运动，记录下机器人各关节的位置、速度和扭矩(电流)；(3)将(2)中获得的机器人各关节的的位置、速度和扭矩(电流)，进行机器人动力学参数识别；(4)采集更多的机器人各关节在其它的命令轨迹下的位置、速度和扭矩(电流)；(5)将(3)中获得的动力学参数，和(4)中的新的命令轨迹，基于机器人的逆向动力学参数模型，计算出各关节的扭矩冗差；(6)将(4)和(5)中作为输入输出训练一个神经网络；(7)步骤(6)中的神经网络将作为机器人动力学不确定性补偿器；(8)基于高阶滑模观测器和(7)中的动力学不确定性补偿器，对机器人的末端接触力进行观测。

技术领域

本发明涉及一种基于机器人模型的接触力观测算法，属于机器人模型建立、模型识别和动力学控制领域。

背景技术

传统的工业机器人运动控制系统，大多是基于位置控制的，即机器人接受位置命令，运动控制单元克服外界干扰，到达指定的位置。机器人在执行某些任务时，会与外界发生接触。仅仅使用位置控制的机器人，在遇到外界障碍物的情况下，由于是完全基于位置控制的，会将接触力当成为外界干扰。运动控制系统将克服此干扰，而不关注实际接触力的大小。在某些应用中，会使得接触力过大。因此，在机器人与外界有接触的应用中，应该将接触力作为一个待监控的变量。

在机器人与外界有接触的情况下，机器人与外界的接触力是反映接触状态的最直接的状态量。通过对已公开的文献、专利和工业产品调研发现，机器人末端接触力探测的方式分为三种：基于力传感器的直接探测方式、基于触觉传感器的探测方式和基于软件重构的探测力重构算法。

基于力传感器的直接探测方式，通常是将接触力传感器安装在机器人本体的末端与夹具之间，实际探测到的接触力为机器人本体与夹具之间的接触力和力矩。

基于力传感器的直接探测方式存在以下不足：

1、实际探测到的接触力为机器人本体与夹具之间的接触力和力矩，要得到末端的接触力和力矩，需要进行相应的标定和补偿。在标定和补偿的过程中，将不可避免的引入误差。

2、由于接触力传感器多为柔性环节，会使得整个机器人控制系统的带宽下降。

3、接触力传感器的测量结果中有不可避免的噪声。

4、接触力传感器的成本较高等，增加了整个机器人系统的成本。

基于触觉传感器的探测方式，通过在夹具上面安装触觉传感器，能够直接探测到夹具与外界的接触力。然而，该种接触力探测方式的缺点为：

1、接触面中有多个触觉传感器的接触力信息，如何解读这些接触力信息，需要很复杂的算法。

2、触觉传感器的价格较高，安装及使用难度较大。

基于软件重构的探测力重构算法，能够通过模型等方法间接地推算出末端接触力，从而能够降低成本。该算法的基本思想是，找出机器人在有外界接触力和无外界接触力时各关节扭矩的不同，从而反推出外界接触力。然而传统的基于软件重构的接触力重构算法有以下不足：

1、需要精确的机器人动力学模型，然而由于机器人动力学参数的不确定性，使得精确的动力学模型难获得。

2、机器人动力学模型中难以建模的部分，例如每个关节的摩擦力等，大部分能获得的文献、专利中均采用了简化的线性模型，从而导致名义模型与实际模型之间误差较大。

3、当前基于模型的接触力观测算法中，接触力的观测是作为外界扰动或者未知输入进行观测的，进而对接触力的观测是渐近收敛的，收敛时间较长。