[发明专利]一种基于摩擦模型的工业机器人免力矩传感器示教方法

权利要求书

1.一种基于摩擦模型的工业机器人免力矩传感器示教方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据机器人的动力学模型和运动状态，采用基于广义动量的外力估计方法估计操作者施加在工业机器人上的关节外力，并将估计的外力转换为工业机器人的运动指令；

步骤二：依据步骤一所采用的外力估计方法，在缺少关节角加速度信息下进行估计；根据外部施加的外力估计，使用导纳控制方案对外力生成运动指令，并推导了离散状态下的关节目标位置的更新方程，由此实现免力矩传感器的拖动示教；

步骤三：采用基于广义动量的外力估计方法，利用机器人的动力学模型和运动状态,外力估计为之后的拖动示教奠定基础，用于判断关节是否有启动迹象；

步骤四：根据步骤三中所建立的运动模型通过实验来进行求解机械臂的惯量矩阵，测量机械臂中各个关节的质量、惯性、长度、截面积等参数；其次，将这些参数代入惯量矩阵的计算公式中，得到机械臂的惯量矩阵，通过逆动力学算得所需要的力矩；

步骤五：利用关节摩擦模型来进行机械臂启动时的摩擦力估计，其中摩擦单元满足：

τ_fc＝Δq*K_c

Δq＝q-q_c

其中τ_fc为干性摩擦，K_c为弹簧的刚度，q为摩擦单元的位置,q_c为关节臂的相对位置；对于关节臂的粘性摩擦力可以表达为：τ_fs＝μ*q_c,粘性摩擦系数的公式：μ＝F/N；

步骤六：根据步骤五判断出关节位置，最终求得的干性摩擦值τ_fc与粘性摩擦力τ_fs，两者进行求和得到对机械臂启动时的摩擦估计值：

步骤七：设定一个测量值a，a为一个极小正值，并通过a判断关节臂是否静止：

在关节静止时，受伺服控制器噪声的影响，关节角速度q并不是为零的，因此定义/q/a时静止；定义G_d和G_u，当G_d∈[0,1]时为等比下降速度，而当G_u∈[1,+∞]时为等比上升速度；定义Δq_th为一个正值，Δq_th用于与/Δq_c/判断是否有关节启动的意向；当探测到有启动意向时，在关节的启动阶段设置了Δτ_f为摩擦估计补偿值；启动意向的判断：Δτ_f＝k_τF_csign(Δq_c(k))，其中，k_τ为摩擦因数，F_C相当于关节在转动状态下的库伦摩擦力，sign(Δq_c(k))为一个关节位置的符号函数；

步骤八：判断摩擦单元的位置q与关节臂的位置q_c，二者做差得出Δq；

步骤九：更新Δq_th的状态，当/q/a时静止，Δq_th不断下降到G_d或者反之上升到G_u；

步骤十：比较/Δq_c/与Δq_th的值用于判断各关节是否有启动意向，当/Δq_c/＞Δq_th时关节有启动意向；判断关节臂是否处于静止状态，若/q//a/则为静止；

步骤十一：将步骤六中所提到的摩擦估计值与步骤七中判断出的摩擦估计补偿值Δτ_f进行求和，完成对关节的摩擦力估计从而得到弹性摩擦模型代入机器人完成示教。

2.根据权利要求1所述的基于关节摩擦模型实现机器人免力矩传感器拖动示教方法，其特征在于，步骤一中采用基于广义动量的外力估计方法为：Fαt＝Mv。

3.根据权利要求1所述的基于关节摩擦模型实现机器人免力矩传感器拖动示教方法，其特征在于，步骤三中工业机器人动力学模型为：

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于关节摩擦模型工业机器人免力矩传感器拖动示教方法，其特征在于，步骤四中通过逆动力学算得所需要的力矩的方法为：通过末端位姿和期望加速度来计算所需关节加速度，再根据动力学模型计算所需力矩，其计算公式包括惯性力项、科里奥利力和离心力项、重力项以及摩擦力项，其中摩擦力项可以分解为粘性摩擦力项、库仑摩擦力项以及补偿，即：