[发明专利]基于先验动力学知识的机器人参数识别及接触力监测方法

说明书

本发明为基于先验动力学知识的机器人参数识别及接触力监测方法，该方法通过编码器获得机器人的关节位置和速度信息、关节加速度信息，数据采集卡实时采集电机驱动器模拟量监测端的电流信息处理后得到的实际关节力矩；控制机器人在空间内做尽量多的不同轨迹的运动，同时采集其在不同时刻的角度、角速度、角加速度、实际力矩作为样本，通过梯度下降法离线学习，辨识出机器人的动力学参数，得到机器人的理想动力学模型；在实时监测过程中，通过采集和处理的电流信息，带入理想动力学模型，得到机器人在此时刻的理论力矩；将实际关节力矩和理论力矩比较，若相差超出阈值范围内则表示发生了碰撞。该方法能实现在低成本下准确获取接触力数据。

技术领域

本发明涉及共融机器人与外界的接触力监测方法技术领域，更具体地，涉及一种基于先验动力学知识的机器人参数识别及接触力监测方法。

背景技术

机器人具有负载大、响应快、精度高等优点，通常被用来替代人类从事重复、繁重或者危险的任务，在工业制造的各领域得到了广泛应用。随着传感器、人工智能、自动控制等学科和技术的进步，机器人正逐步发展成具有感知、认知和自主行动能力的智能化装备，特别是共融机器人概念的提出极大地丰富了机器人的任务内涵。所谓共融机器人，是指机器与人共享同一时间下的工作空间和生产活动，利用人类更为直接的认知和高度智能的决策能力，发挥机器大承载、高精度执行的优势，通过人机协同作业完成非结构化环境下的非确定性任务。机器人与工作人员处于同一工作空间中并通常需要在操作上相互配合，在这种情况下，机器人的安全性显得尤为重要，若机器人不采取必要的防撞措施，则会造成设备损坏或人员伤亡，因此，必须首先解决机器人与外界环境的接触安全性问题。为了保证机器人的安全性，需要对机器人与外界环境的接触力进行检测，并及时采取必要的控制策略，避免发生严重碰撞，并控制碰撞接触力在完全可承受的范围内。

解决机器人安全性问题可以从碰撞检测开始，目前已有一些学者在这方面做出努力并取得了一定成果。检测机器人与外界环境接触力的方法有添加外部传感器检测法，如在机器人手腕添加力传感器法，中国专利CN201510006024.2在机械臂末端法兰与负载之间设置六维力传感器，按照设定的采样频率不断采集传感器的测量数据，进行机械臂的碰撞接触力检测与响应，该方法虽然能够精确检测出接触力的大小，但仅限于安装了外部传感器的部位。此外，还有在机器人外表面包裹敏感皮肤检测法，该方法能够较好地检测出碰撞接触力及其碰撞部位，中国专利CN201480076246.5用可容纳气体的软性覆盖构件包裹机器人，通过检测其内部空间的气体压强和所述软性覆盖构件的外部压强之间的差压变化检测碰撞接触力，该方法增加了对外部信息处理的难度，增加了机器人布线的复杂度，增加了机器人的体积、降低了灵活性。也有学者提出视觉传感器检测法，中国专利CN201810365980.3基于多维视觉传感器获得真空机械手的位置信息，并实时判断其处于危险状态。该方法可以比较全面的掌握外部环境信息，但图像信息量大，实时性难以保证。

机器人发生与外界环境发生接触后，接触力会瞬间增大，因此，碰撞检测算法需具备实时性、准确性以及一定的接触方位识别能力，以便更好地控制接触力，减小碰撞伤害。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于先验动力学知识的机器人参数识别及接触力监测方法。该方法先通过梯度下降法离线学习，辨识得到了机器人在自由空间即与包括人在内的周围环境没有碰撞和接触时的理想动力学模型，下文将某时刻在此条件下对应的关节力矩称为理论力矩。再将机器人实际关节力矩与理论力矩比较，通过上位机解算程序得到机器人的碰撞信息，该方法可以实现在低成本的情况下简单、准确的接触力数据获取，并将接触力信息作为控制依据驱动机器人进行运动调整保证共融机器人工作过程中的安全性和柔顺性。

本发明的目的是方便快捷的识别出机器人与外界环境的接触力和接触位置，从而为机器人的控制提供参考。