[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

说明书

本发明涉及一种基于摩擦模型的工业机器人免力矩传感器示教方法，其通过引用关节摩擦模型，利用弹性摩擦的内在变量判断关节在静止状态下的启动意向，并通过短暂增加其摩擦力的估计值，以增加关节的驱动力矩，使关节可以瞬时启动。本发明的有益效果为：通过对弹性摩擦模型进行修改，采用变参数的方法调整拖动示教在运动和静止状态下的控制效果，从而实现工业机器人免力矩传感器示教。

技术领域

本发明涉及到机械臂拖动示教技术和关节摩擦模型的建立，特别涉及到一种基于摩擦模型工业机器人免力矩传感器示教方法。

背景技术

基于广义动量的外力观测器和导纳控制方案，采用关节弹性摩擦模型估计关节摩擦力，对关节启动阶段的存在的摩擦参数进行估计并规划，实现了力矩控制的零力平衡的机器人在线示教。采用导纳控制方案，根据观测的外力生成关节运动轨迹，实现工业机器人拖动示教，利用弹性摩擦模型对关节摩擦进行建模，实现关节在低速和静止状态下的摩擦力估计。为解决关节在静止状态下拖动困难的问题，对关节启动阶段的摩擦力估计进行规划，通过短暂增加关节摩擦的估计值以增加关节驱动力矩，从而实现关节的常规拖动，且启动规划算法不会对机器人关节的其他运动阶段造成影响。目前，工业机器人一般采用示教器进行示教，通过编程的方法规划复杂的运动轨迹。为了缩短机器人示教时间并实现其定位和复杂轨迹的生成，可以采用手动引导机器人运动的方式，即拖动在线示教。拖动在线示教对于操作者来说，机器人的使用将变得更为方便，也可以轻松避开环境障碍。工业机器人的拖动示教通常使用力传感器来实现，然而传感器价格昂贵，在工业应用中推广存在困难，所以在免力矩传感器下实现拖动示教是优选方法。除了关节摩擦的非线性外，关节内部的传动机构等也会给关节的运动引入更为复杂的摩擦，关节内部的减速器机构、轴承、输入和输出轴等结构均存在摩擦，既有粘性摩擦，又存在干性摩擦，这使得关节在静止状态下的摩擦变得更加复杂，导致在拖动示教中，操作者往往需要更大的外力才能由静止状态起动关节。为了解决关节在起动阶段的困难，从而对关节摩擦模型进行修改，采用变参数的方法调整拖动示教在运动和静止状态下的控制效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，通过建立工业机器人关节摩擦模型，提出了一种启动规划的算法，利用弹性模型的内在变量判断关节在静止状态下的起动意向，并通过短暂增加对关节摩擦力的估计值，以增加关节的驱动力矩，使关节可以轻松起动。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种基于关节摩擦模型实现机器人免传感器拖动示教方法，包括如下步骤:

步骤一：根据机器人的动力学模型和运动学模型，采用基于外力估计方法使操作者将施加在机器人上的关节外力转换为机器人的运动指令；

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值时，根据外部施加的外力进行参数估计，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，由此实现工业机器人免力矩传感器示教；

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其运动状态，用于判断关节是否有启动的迹象；

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；