[发明专利]一种基于人机协作的机器人柔顺示教及再现方法

说明书

本发明提供了一种基于人机协作的机器人柔顺示教及再现方法，其特征包括：首先建立柔顺示教过程中的人机协作模型；根据已建立的人机协作模型，通过机器人动力学计算期望的电机输入力矩和操作者的操作力等效到机器人末端的力矩；根据电机期望力矩计算电流指令，实时发送，配合操作者的操作力实现柔顺示教；采集并处理驱动电机的反馈数据，根据电流指令和采集的反馈数据处理得到速度指令，完成再现。本发明基于人机协作模型，在转矩模型下完成柔顺示教，动态响应快，同时无需借助力/力矩传感器，降低了系统成本；采用基于速度模式下的速度轨迹跟踪实现示教轨迹的再现，提高了再现精度，为常规多自由度机器人的柔顺示教及再现提供了新的方法。

技术领域

本发明涉及一种机器人控制技术领域，具体涉及一种基于人机协作的机器人柔顺示教及再现方法。

背景技术

目前传统机器人的示教主要以示教器示教和编程示教为主，示教器示教效率低、繁琐，且不适用于复杂的曲线或曲面轨迹；编程示教对编程者编程能力要求较高，且脱离本体难以保证精度。在此背景下，柔顺示教因操作灵活简单、效率高，因此成为研究热点。柔顺示教是指机器人顺应操作者的操作力的运动轨迹，记录并再现作业轨迹，近几年，国内外多家机器人厂家也相应推出了能够实现柔顺示教的机器人，如ABB、KUKA、新松等。

机器人的柔顺示教分为主动柔顺性和被动柔顺性，机器人凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环境接触时能够对外部作用力产生自然顺从，被称为被动柔顺控制；机器人利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力，被称为主动柔顺控制。被动柔顺机构通常包括一些弹簧、阻尼等柔性装置；主动柔顺控制按对作用力的获取的方式的不同又分为基于力/力矩传感器的和免力矩传感器的。

但由于传感器成本高、系统复杂性高等问题限制了此类基于传感器的机器人柔顺示教的研究及应用。免力矩传感器的柔顺示教是通过控制策略实现对力的非精确测量，目前已有的方法包括阻抗控制、零力控制、自适应控制等。

发明内容

本发明针对现有的机器人柔顺示教技术中的缺陷，提供了一种基于人机协作的机器人柔顺示教及再现方法。

首先，基于人机协作的机器人动力学模型建立方法：计算关节电机期望输入力矩及操作者施加的操作力等效到机器人末端的力矩，由电机期望力矩承担柔顺示教过程中较大的重力项及库伦摩擦力项，由操作者施加的操作力承担示教过程中较小的与速度、加速度有关的惯性力、离心力和哥氏力及粘滞摩擦力；

第二，基于人机协作的机器人柔顺示教方法：基于关节重力与位姿的机器人动力学模型，通过最小二乘法辨识得到重力和库伦摩擦力的数值，控制转矩模式下的驱动电机输出电流指令补偿相应位姿下的重力和库伦摩擦力，使机器人各关节处于动态平衡状态下，由操作者施加操作力作用在机器人末端，完成柔顺示教；

第三，基于速度与位置反馈的示教轨迹再现控制方法：根据电流指令及通过编码器采集的机器人柔顺示教中的反馈数据，计算相应的速度指令，控制电机转换为速度模式，对速度指令进行滤波降噪处理，将滤波后的速度作为输出目标，通过驱动器进行模拟量输出，以速度反馈和位置反馈的双闭环控制完成轨迹再现。

机器人正常运动时，动力学模型表示为如下形式：

分别包括惯性力项、离心力和哥氏力、重力项、摩擦力项，其中分别表示关节角度、角速度、角加速度；M(q)表示惯量矩阵；表示哥氏力及离心力矩阵；G(q)表示重力项矩阵；分别表示库伦摩擦力项和与速度有关的粘滞摩擦力；表示各关节总力矩。

由机器人动力学模型公式可知，惯性力项与加速度有关，离心力和哥氏力项与速度有关，由于柔顺示教过程是由人施加在机器人末端的示教力为主导，示教速度较低、加速度较小，因此产生的惯性力项、离心力和哥氏力项较小；因此基于人机协作的柔顺示教及再现方法原理如下：由驱动电机输出力矩实时补偿各关节不同位姿时较大的重力项和库仑摩擦力项，较小的惯性力、离心力、哥氏力项和粘滞摩擦力由操作者施加的操作力克服。