[发明专利]一种无需传感器的机械臂碰撞检测方法

说明书

本发明公开了一种无需传感器的机械臂碰撞检测方法，包括：计算机械臂末端负载对机械臂产生的关节力矩矢量的正交投影矩阵，根据该正交投影矩阵得到机械臂末端负载的力矩变换矩阵；建立机械臂本体动力学模型，根据该动力学模型中的各项建立机械臂动量偏差观测器，通过动量偏差观测器得到机械臂关节外力矩矢量，根据该外力矩矢量与机械臂末端负载的力矩变换矩阵计算出机械臂的碰撞力矩；将机械臂的碰撞力矩与预设阈值相比较，判断机械臂是否发生碰撞。本发明采用的碰撞检测方法，能够实现末端带有负载的机械臂碰撞检测，简单高效，成本低。

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，尤其涉及一种无需传感器的机械臂碰撞检测方法。

背景技术

现代自动化工业生产中串联多关节机械臂的使用较为普及，在机械臂的正常工作过程中，可能与周围的人或物体发生碰撞，这种情况不但可能对机械臂造成损伤，也可能对工作人员造成伤害。此外，近年逐渐发展起来的人机协作机器人无需保护栅栏，可与工作人员在同一环境中协同工作，在人机协同工作时，工作人员有时需要主动碰触正在工作中的机械臂以暂停机械臂的运行，所以对于机械臂无论是主动正常碰撞还是被动异常碰撞都必须被检测出来。综合以上可知，为了保障机械臂的正常运作以及操作人员的人身安全，碰撞检测逐渐成为机械臂必不可少的功能。

由于传感器价格较高，为了降低机械臂总体成本，传统的机械臂碰撞检测方法较为常用的是无传感器检测方式。一般机械臂出厂前由专业人员建立好机械臂本体的动力学模型，通过复杂的参数辨识实验过程经过计算得到机械臂本体参数，将机械臂本体的动力学模型和机械臂本体参数相结合得到机械臂的完整动力学模型，将由机械臂的完整动力学模型得到的理论力矩与通过机械臂关节电流得到的实际力矩进行比较，从而判断机械臂是否发生碰撞。该方法一般需要比较精确的机械臂本体动力学模型，而出厂后机械臂实际工作过程中末端会带上一定负载或负载工作中会发生变化，机械臂本体动力学模型已经不能适应这种带有负载的情况，原有的碰撞检测会带来较大误差甚至误报漏报，必须重新对机械臂进行动力学建模和参数辨识，而这种工作一般需要精通机器人控制的专业人员现场进行操作以及大量计算，普通操作工人无法进行，造成实际应用中的不便，增加工厂运营成本并且无法实现较高的碰撞检测精度。

发明内容

本发明的目的旨在解决所述技术缺陷，提出一种无需传感器的机械臂碰撞检测方法，计算机械臂末端负载对机械臂产生的关节力矩矢量的正交投影矩阵PF，根据该正交投影矩阵PF得到机械臂末端负载的力矩变换矩阵P；建立机械臂本体动力学模型，根据该动力学模型中的各项建立机械臂动量偏差观测器并通过动量偏差观测器得到机械臂关节外力矩矢量r，根据该外力矩矢量r与机械臂末端负载的力矩变换矩阵P计算出机械臂的碰撞力矩τ_new；将机械臂的碰撞力矩τ_new与预设阈值相比较，判断机械臂是否发生碰撞。

为了实现上述目的，本发明提供一种无传感器的机械臂碰撞测方法，包括如下步骤：

步骤一：计算机械臂末端负载对机械臂产生的关节力矩矢量的正交投影矩阵PF，根据该正交投影矩阵PF得到机械臂末端负载的力矩变换矩阵P；

步骤二：建立机械臂本体动力学模型，根据该动力学模型中的各项建立机械臂动量偏差观测器，通过所述机械臂动量偏差观测器得到机械臂关节外力矩矢量r，根据该外力矩矢量r与所述机械臂末端负载的力矩变换矩阵P计算出机械臂的碰撞力矩τ_new；

步骤三：将所述机械臂的碰撞力矩τ_new与预设阈值相比较，判断机械臂是否发生碰撞。

进一步的，所述的步骤一中，计算机械臂末端负载的力矩变换矩阵P具体步骤如下：

步骤1.1：根据机械臂驱动器反馈的数据得到机械臂关节反馈的关节角度q、角速度将关节角速度进行差分得到关节角加速度