[发明专利]一种机器人末端外力预估方法

说明书

本发明公开了一种机器人末端外力预估方法，其技术方案要点是：包括以下步骤：Step1:建立机器人与外力交互的末端动力学模型；Step2:建立机器人动力学补偿误差模型；Step3:建立机器人末端外力预估模型；Step4:采用粒子群算法标定外力预估模型参数；本机器人末端无力传感器外力预估方法，基于所述粒子群算法离线优化出最优的机器人动力学补偿误差方差矩阵与力方差矩阵和机器人本体传感器信息，实时预估机器人末端与环境的交互力，避免了力传感器引入机器人控制系统。本发明对机器人动力学精确模型依赖性弱，优于依赖模型精确性的外力预估方法广义动量法，无需额外的繁琐的机器人动力学模型参数标定试验，提高了工作效率。

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种机器人末端外力预估方法。

背景技术

新一代的机器人应该具有较好的环境自适应能力，能够在与环境交互过程中根据受到的力信息采用柔顺控制策略自适应调整其运行状态以满足环境约束。目前，为了实现机器人与环境交互的安全性，大都机器人借助力传感器实现柔顺控制，使机器人动态特性服从交互力特性。然而，力传感器的引入无疑增加了机器人控制系统结构难度和机器人制造成本，且降低了系统对环境的鲁棒性。因此，研究基于机器人本体传感器预估机器人与环境之间的交互力具有重大的应用价值。

众多学者对机器人与环境之间的交互力的准确预估进行了大量研究。Cirillo etal.在机器人本体上覆盖敏感材料作为机器人的皮肤，以此直接测量交互力与接触的位置。然而，因为在机器人本体上覆盖敏感材料还不能完全被接受，因此这一方法未被广泛采用。

另外，基于机器人关节本体传感器信息，比如关节位置、关节力矩等信息，Haddadin et al.和Smith et al.利用观测器来预估机器人与环境之间的碰撞力。Luca和Mattone提出基于机器人惯量和机器人关节角速度的广义动量方法来预估机器人碰撞力矩。Tian et al.和Lee et al.利用广义动量观测器预估机器人关节之间的摩擦力矩，但是广义动量方法依赖机器人的精确模型，其机器人精确模型不宜从实际获得。因此，业内亟需一种低成本和精确性较好的机器人末端外力预估方法。

发明内容

针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种机器人末端外力预估方法，以解决背景技术中提到的问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种机器人末端外力预估方法，包括以下步骤：

Step1:建立机器人与外力交互的末端动力学模型；

Step2:建立机器人动力学补偿误差模型；

Step3:建立机器人末端外力预估模型；

Step4:采用粒子群算法标定外力预估模型参数。

较佳的，所述Step3中，机器人末端受到的外力F_ext包括机器人末端与环境的交互力，包括力和力矩，即：

F_ext＝[f_{ext_x},f_{ext_y},f_{ext_z},τ_{ext_x},τ_{ext_y},τ_{ext_z}]^T；

其中，F_ext为基于机器人基坐标系表示机器人末端受到的外力F_ext矩阵。

较佳的，所述Step3中，机器人末端动力学模型由机器人关节空间动力学模型通过末端雅克比矩阵J_c(q)转换而来，机器人关节空间动力学模型为：