基于串联弹性驱动器的机械臂碰撞检测方法与流程

本发明涉及消除减速器摩擦力影响的建模方法，属于机械臂动力学建模与碰撞检测技术领域，具体涉及一种基于串联弹性驱动器的机械臂碰撞检测方法。

背景技术：

工业机器人可以工作在复杂的工作环境中，高效、高精度地执行重复性的作业。在其工作过程中，很可能与周围环境发生碰撞，造成周围环境或者工件损坏。此外，在现代生产中，很多复杂的工作，需要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，机器人的安全性将显得更为重要，若机器人不采取必要的防撞措施，将对人造成严重伤害，因此，必须首先解决机器人的碰撞安全性问题。为了保证机器人的安全性，需要对碰撞进行检测，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。

对协作机器人进行碰撞检测研究时，一般将整个机器人进行动力学建模，分析输出力矩、外力矩与机器人位姿之间的关系。当前在获取外力大小与动力学建模过程中存在以下几个问题：

1、传统力传感器测量接触力具有局限性

通常力传感器安装在机械臂关节处和末端。安装在关节处的力传感器，通常只需要其能测一维力矩即可，关节处的力传感器可以获得更加精确的力矩值。然而使用关节力传感器需要估计外力、精确的动力学模型以及机械臂的动力学参数。且如果需要估计末端力，还要考虑雅克比矩阵的转置是否良态，是否出现奇异等诸多问题。安装在机械臂末端的力传感器可以直接获取到外界作用在机械臂末端的力作用，相对于关节处安装传感器估测外力，此方案可以实现更精确的力控效果，但无法做全身的碰撞检测。

2、动力学模型中摩擦力项没有通用且权威的模型

摩擦力只能通过辨识获取，所以整个动力学公式会因为减速器摩擦力的存在误差。而且由于减速器摩擦力，需要较大的外力，才能使电流环检测到。静摩擦力状态未知(静摩擦力是由外力决定的)，无法确定这个“较大的外力”到底是多大。

技术实现要素：

为解决现有技术的缺陷，本发明提供一种基于串联弹性驱动器的机械臂碰撞检测方法，所述机械臂的关节驱动器采用串联弹性驱动器(sea)，所述串联弹性驱动器包括依次设置的输出端、弹性体、谐波减速器、电机和驱动电路；

测量输出端的机械臂与外界接触时的位姿，替代直接测量接触力矩，然后对机械臂进行动力学建模时，只需要得到机械臂末端的位姿以及电机输出端的位姿，即可求得机械臂与环境的接触力矩。

优选的，驱动器中的力矩通过安装在弹性体两个平面的位置传感器测量，该两个平面通过一个扭力杆(torsionbar)连接，该两个平面一端连接着输出端(outputlink)，另外一段连接在谐波减速器端(harmonicdrive)；当输出端驱动机器人关节运动时，该两个平面会在轴向(axial)扭转产生一个偏角：δ；位置传感器通过偏角测出力矩τ，公式如下：τ＝kδ；其中k为材料的抗扭截面系数，弹性体材料为17-4ph。

优选的，在动力学模型的基础上，采用双位姿传感器测量机器人位姿，在动力学模型中消除摩擦力影响，提高整个动态模型的精度。

优选的，根据碰撞要求设定合适的阈值，当残差值超过阈值时则说明机器人与外界发生了碰撞。

本发明的优点和有益效果在于：

本发明在谐波减速器输出端设计弹性体，一方面通过弹性体的形变测量扭矩，另一方面则降低了系统的刚度保护减速箱；通过电磁传感器测量弹性体偏角，从而计算测量扭矩；该设计方案旨在测量输出端的机械臂与外界接触时的位姿，替代直接测量接触力矩，能够解决与机械臂不同部位接触时无法精确测量力的问题，提高了协作机器人操作时的安全性；

然后对机械臂进行动力学建模时，只需要得到机械臂末端的位姿以及电机输出端的位姿，即可求得机械臂与环境的接触力矩；不必考虑传统建模中摩擦力的影响，极大的减少了建模难度；与电流环测力矩做碰撞检测的方法相比较，验证了基于sea结构的碰撞检测方法的准确性。

本发明在减速器两侧用两个位姿传感器测量机器人的位姿，无需考虑减速器与电机之间的摩擦力，从而避免摩擦力不稳定性对碰撞检测的影响，提高整个动态模型的精度。根据碰撞要求设定合适的阈值，当残差值超过阈值时则说明机器人与外界发生了碰撞。本发明碰撞检测算法只需测量机器人关节编码器的位置信息，可以在没有任何力传感器的情况下进行实时检测。

跟传统电流环做碰撞检测的方法不同，本发明使用sea进行协作机器人机械臂改进与碰撞检测，在减速器增加位姿编码器以确保能准确计算机器人实时位姿状态；在动力学建模时结合机器人实时位姿分析，消除了难以计算的摩擦力影响，提高了碰撞检测的精确性。

附图说明

图1是串联弹性驱动器的物理模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种基于串联弹性驱动器的机械臂碰撞检测方法，所述机械臂的关节驱动器采用串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器包括依次设置的输出端、弹性体、谐波减速器、电机和驱动电路；

测量输出端的机械臂与外界接触时的位姿，替代直接测量接触力矩，然后对机械臂进行动力学建模时，只需要得到机械臂末端的位姿以及电机输出端的位姿，即可求得机械臂与环境的接触力矩。

驱动器中的力矩通过安装在弹性体两个平面的位置传感器测量，该两个平面通过一个扭力杆(torsionbar)连接，该两个平面一端连接着输出端(outputlink)，另外一段连接在谐波减速器端(harmonicdrive)；当输出端驱动机器人关节运动时，该两个平面会在轴向(axial)扭转产生一个偏角：δ；位置传感器通过偏角测出力矩τ，公式如下：τ＝kδ；其中k为材料的抗扭截面系数，弹性体材料为17-4ph。

在动力学模型的基础上，采用双位姿传感器测量机器人位姿，在动力学模型中消除摩擦力影响，提高整个动态模型的精度。

可根据碰撞要求设定合适的阈值，当残差值超过阈值时则说明机器人与外界发生了碰撞。

测量原理：驱动器中的力矩通过安装在弹性体两个平面的位置传感器测量，该两个平面通过一个扭力杆(torsionbar)连接，该两个平面一端连接着输出端(outputlink)，另外一段连接在谐波减速器端(harmonicdrive)；当输出端驱动机器人关节运动时，该两个平面会在轴向(axial)扭转产生一个偏角：δ；位置传感器通过偏角测出力矩τ，公式如下：τ＝kδ；其中k为材料的抗扭截面系数，弹性体材料为17-4ph。

串联弹性驱动器(sea)的物理模型如图1所示，其中①为:电机转子(motorrotor)；②为：减速箱(gearbox)；③为：输出端(load)；其中减速箱端与输出端串联关键的弹性体，具体符号含义如下：

im为电机转子惯量；ig为齿轮箱惯量；il为输出端惯量；

kg,dmg分别为齿轮箱端与电机端之间的刚度与阻尼；

kb,dgl分别为输出端与齿轮箱端之间的刚度与阻尼；

qm,qg,ql分别为电机端，齿轮箱端，输出端的绝对位置；

τm为电机端输出扭矩(电机线圈产生)，τe为输出端扭矩(与外部环境交互产生)；

dm,dg,dl分别为电机、齿轮箱与输出端与驱动器外壳间的粘滞阻尼；

δ＝qg-ql，δ为输出端与齿轮箱端绝对位置偏角(重要参数)；

线性动力学的模型的核心其实就是各个模块上的扭矩平衡，如下：

电机端扭矩平衡：

imqm＝τm-dmqm+dmg(qg-qm)+kg(qg-qm)(1)

齿轮箱端扭矩平衡：

igqg＝-dgqg-dmg(qg-qm)-kg(qg-qm)+dgl(ql-qg)+kb(ql-qg)(2)

输出端扭矩平衡：

ilql＝τe-dlql-dgl(ql-qg)-kb(ql-qg)(3)

公式(3)中的最后两项可以写成如下形式的公式(4)：

-dlql-dgl(ql-qg)-kb(ql-qg)＝kbδ+dglδ＝τ(4)

τ在这里是齿轮箱向输出端传递的力矩,当处于输出平衡状态时，有如下等式:

-τe＝τ-dlql(5)

一般齿轮箱与输出端的弹性体都是金属材料，其阻尼系数可以忽略不计，即dgl≈0,公式(4)可以简化如下：

τ≈kbδ(6)

对于大部分sea驱动器而言，谐波减速器的刚度都远远大于柔性传动元件，因此我们可以将谐波减速器考虑成刚体(rigidbody),

即qm≡qg,qm≡qg,qm≡qg；

所以对公式(1)，(2)进行简化成如下形式：

(im+ig)qm＝τm+kb(ql-qm)+dgl(ql-qm)-(dm+dg)qm(7)

对公式(3)改写成如下形式：

ilql＝τe-dlql-dgl(ql-qm)-kb(ql-qm)(8)

公式(7)，(8)分别为sea电机端动力学模型和输出端动力学模型。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。